Pompasız Yüz Metre: Ağaçlar Suyu Nasıl Kaldırıyor

Bölüm metni

Bir emme tulumbası suyu en fazla on metre yukarı çekebilir; bu, pompanın kalitesiyle değil, atmosfer basıncıyla konmuş kesin bir sınırdır. Buna rağmen Kaliforniya'da bir sekoyanın en üst yaprağı, yerden yüz on altı metre yukarıda, hiçbir kalbi, hiçbir motoru olmayan bir canlının içinden su içiyor. Ağaç bu sınırı aşmıyor — suyu itmiyor, çekiyor ve o suyu kopmak üzere olan bir tel gibi geriyor.

1630'ların Floransa'sında, Toskana Grandükü'nün bahçelerinde çözülemeyen bir sorun vardı. Saray kuyucuları derin bir kuyuya emme tulumbası kurmuş, pistonu çekmiş, su boru boyunca yükselmiş ve belli bir noktada, hiçbir açıklaması olmadan durmuştu. Contaları yenilediler, değişen bir şey olmadı. Boruyu genişlettiler, olmadı. Kolu çeviren adamı daha güçlüsüyle değiştirdiler, yine olmadı. Su yaklaşık 18 braccia'ya, yani kabaca 10 metreye kadar geliyor, sonra yükselmeyi kesin bir dille reddediyordu. Üstünde boş boru, altında bol su, ikisinin arasında da hiçbir şey.

Sorunu dönemin en meşhur doğa filozofuna, yaşlanmakta olan Galileo'ya taşıdılar. Galileo'nun verdiği cevap yanlıştı ama yanlış olma biçimi tuhaf derecede ilericiydi. Ona göre yükselen su sütunu, tavandan sarkan bir ip gibiydi. Boşluğun maddeyi çekme gücü vardı, ama sonsuz değildi; su sütunu belli bir uzunluğu geçince kendi ağırlığı altında tıpkı bir ip gibi kopuyordu. Yani Galileo suyun çekilebileceğini, ama bu çekmeye bir kopma sınırı olduğunu düşünüyordu. Bu fikri aklınızda tutun, çünkü üç yüz yıl sonra bambaşka bir yerden geri gelecek.

Gerçek cevap birkaç yıl sonra, Galileo'nun öğrencisi Torricelli'den geldi. Roma'da Gasparo Berti adında biri, 10 metreyi aşan devasa bir cam boruyla evinin duvarında bir deney kurmuş, suyun hep aynı yükseklikte durduğunu göstermişti. Torricelli 1643'te aynı deneyi kısaltarak yaptı: sudan 13,6 kat ağır olan cıvayı kullandı ve cıva sütununun 76 santimetrede durduğunu gördü. İki sayı arasındaki oran tam olarak yoğunluk oranıydı. Bunun anlamı açıktı ve dönemin sezgisini tersine çeviriyordu. Tulumba suyu yukarı çekmiyordu. Havanın kendisi, üstümüzdeki kilometrelerce kalınlığındaki atmosfer sütununun ağırlığıyla, kuyudaki suyun yüzeyine bastırıyor ve onu boşalan boruya doğru itiyordu. Deniz seviyesinde bu itiş her santimetrekareye yaklaşık 1 kilogramlık bir kuvvet uyguluyordu; bu da tam olarak 10,33 metrelik bir su sütununu ayakta tutmaya yetiyordu.

Bu, mühendislikle çözülebilecek bir problem değil. Bir aritmetik. Dünyanın en kusursuz tulumbasını yapsanız, borunun içinde eksiksiz bir vakum yaratsanız bile deniz seviyesinde suyu emerek 10,33 metreden yukarı çıkaramazsınız, çünkü sizin lehinize çalışan tek kuvvet atmosferin ağırlığı ve o kuvvetin bir tavanı var. Yukarıdan emmenin fiziksel sınırı budur. Suyu daha yükseğe götürmek istiyorsanız onu aşağıdan itmeniz gerekir.

Şimdi Kaliforniya'nın kuzeyindeki kıyı sekoya ormanlarına gidelim. Orada, yeri gizli tutulan bir vadide Hyperion adı verilen bir ağaç duruyor. 2006'da bulunduğunda 115 metrenin biraz üzerindeydi; ölçümler büyümeye devam ettiğini gösteriyor ve bugün 116 metreyi aşmış durumda. Yani tulumbanın önündeki duvarın on bir katı. Bu ağacın içinde piston yok, valf yok, motor yok, kasılan tek bir kas lifi yok. Odun hareket etmeyen bir malzeme. Buna rağmen sıcak bir yaz gününde büyük bir ağaç topraktan yüzlerce litre suyu alıp tepesine kadar taşıyor ve bunu, tepedeki yaprakların ıslaklığını koruyacak bir süreklilikte yapıyor.

Kolay cevapları hemen eleyelim. Kökler gerçekten de bir basınç üretebiliyor. Baharda kesilen bir akçaağaç ya da huş dalından su sızmasının, şafak vakti çimen uçlarında biriken damlaların sebebi bu. Ama kök basıncı 0,1 megapaskal dolayında kalıyor; bu da en iyi ihtimalle 10 metrelik bir sütun demek. Üstelik yapraklar terlemeye başladığı anda büyük ölçüde kayboluyor ve iğne yapraklı ağaçların çoğunda zaten neredeyse hiç görülmüyor. Aşağıdan itiş yeterli değil.

Peki kılcallık? Odunun içindeki su borularının gerçekten çok ince olduğu doğru. İnce bir boruda su, cam yüzeye tutunarak kendiliğinden tırmanır. Ama ne kadar tırmanacağı borunun çapıyla belirlenir ve hesap acımasız. Yirmi mikrometre genişliğindeki tipik bir ağaç borusunda kılcal yükselme 1,5 metre civarında kalıyor. Suyu yalnızca kılcallıkla 100 metreye çıkarmak isteseydiniz, boruların 0,15 mikrometre genişliğinde olması gerekirdi; öyle bir borudan da pratikte hiç su akmazdı, sürtünme her şeyi kilitlerdi. Yani ağaç ne aşağıdan itiyor, ne de tırmanıyor. Başka bir şey yapıyor.

Cevabı bulmak için tepeye, yaprağın içine bakmak gerekiyor.

Bir yaprağı enine kessek, içinin gevşek yerleştirilmiş hücrelerden ve bu hücrelerin arasındaki hava boşluklarından oluştuğunu görürüz. Hücrelerin dış duvarları selülozdan örülmüş, süngerimsi, sürekli ıslak bir ağdır. O ıslak duvarların yüzeyinde su, havayla temas eder. Yaprağın altındaki gözenekler, yani stomalar açıldığında dışarıdaki hava içerideki neme göre daha kurudur ve su buharlaşmaya başlar. Buharlaşan her molekül, geride kalan suyu selüloz ağının gözeneklerinin daha derinine çeker. Su geri çekildikçe, gözeneklerin ağzındaki yüzey içeri doğru bir kâse gibi çukurlaşır.

İşte bütün mekanizma bu çukurlaşmada saklı. Suyun yüzey gerilimi, bükülmüş bir yüzeyi düzleştirmeye çalışır ve bunu yaparken altındaki suyu yukarı doğru çeker. Çekimin gücü, yüzeyin ne kadar keskin büküldüğüne bağlıdır: gözenek ne kadar darsa, çekim o kadar büyüktür. Yaprak hücresi duvarındaki gözenekler nanometre ölçeğindedir. Yarıçapı 10 nanometre olan bir gözenekte bu çekim 15 megapaskala kadar çıkabilir. Karşılaştırma için: atmosfer basıncı 0,1 megapaskal. Yani yaprağın kuru havayla temas eden ıslak duvarı, en iyi vakum tulumbasından yüz kat daha güçlü bir emme üretebilir. Ve bunu yapmak için hiçbir mekanizmaya, hiçbir enerji harcamasına gerek yoktur; yalnızca kuru havaya ve ıslak bir yüzeye ihtiyaç vardır.

Bu çekimin köke kadar iletilmesini sağlayan şey suyun kendi tuhaflığıdır. Su molekülleri birbirlerine hidrojen bağlarıyla tutunur ve bu tutunma şaşırtıcı derecede kuvvetlidir. Laboratuvarda, içinde hava kabarcığı bulunmayan saf su, kopmadan önce onlarca megapaskallık gerilime dayanabiliyor. Yani su, doğru koşullarda bir sıvı gibi değil, bir tel gibi davranıyor. Ağacın yaptığı da tam olarak bu: yapraktan köke uzanan, hiçbir yerinde kopukluk olmayan tek parça bir su ipi kuruyor. Yaprakta buharlaşan bir damla o ipi yukarı doğru kıpırdatıyor, ip de en alt ucundan, kök tüylerinden yeni bir damlayı topraktan içeri alıyor. Galileo'nun tavandan sarkan ip benzetmesi, yönü tersine çevrilmiş haliyle doğruydu.

Suyun aktığı borular ise odunun içindeki ölü hücrelerden oluşuyor. Ağaç bu hücreleri üretiyor, duvarlarını lignin ile sertleştiriyor, sonra hücrelerin içini boşaltıyor; geriye üst üste dizilmiş, uçları açılmış boş silindirler kalıyor. Çam ve sekoya gibi iğne yapraklılarda bunlar birkaç milimetre uzunluğunda, 10 ile 40 mikrometre genişliğinde dar hücrelerdir ve su bir hücreden diğerine, duvarlarındaki ince zarlı geçitlerden sızarak ilerler. Çiçekli ağaçlarda ise hücre uçları tamamen erimiş, metrelerce uzunlukta gerçek borular oluşmuştur. Bu yapı farkı akış hızına doğrudan yansıyor: bir çamda su saatte 1-2 metre ilerlerken, geniş borulu bir meşede saatte 40 metreye kadar çıkabiliyor.

Bu açıklamayı 1890'larda birbirlerinden bağımsız olarak Dixon, Joly ve Askenasy ortaya attı ve fikir uzun süre inanılmaz bulundu. Sebebi şuydu: eğer su çekiliyorsa, borunun içindeki basınç sıfırın altında olmalı. Vakumdan daha düşük bir basınç. Bunu ölçmek yarım yüzyıl aldı; 1960'larda Scholander'ın geliştirdiği basınç odası tekniğiyle mümkün oldu. Bir yaprak kesilip kapalı bir hazneye konuyor, sapı dışarıda bırakılıyor ve haznedeki basınç, kesik uçtan su belirene kadar artırılıyor. Gereken basınç, o yaprağın içindeki gerilimin aynadaki görüntüsüdür. Ölçümler teoriyi doğruladı. Öğle saatlerinde uzun bir ağacın tepesindeki gerilim eksi 1 ile eksi 2 megapaskal arasında; çöl bitkilerinde çok daha fazlası ölçülüyor.

Enerji hesabı da böylece kapanıyor. Suyu 100 metre yukarı taşımanın yerçekimi maliyeti metre başına yaklaşık 0,01 megapaskal, yani toplamda 1 megapaskal; buna borulardaki sürtünme kaybı da ekleniyor. Bu enerjinin tamamını Güneş ödüyor, çünkü işi yapan şey buharlaşmanın kendisi. Ağaç suyu kaldırmak için tek bir molekül şeker harcamıyor. Ödediği bedel başka: karbondioksiti içeri almak için stomaları açmak zorunda ve o açık gözeneklerden, kazandığı her karbondioksit molekülüne karşılık 200 ile 400 arasında su molekülü kaybediyor. Ağaç suyu bu yüzden taşıyor. Yükselen sütun, fotosentezin ödediği faturanın ta kendisi.

Ama gerilim altındaki su tehlikeli bir haldedir.

Sıfırın altındaki basınçta sıvı su, fizikçilerin yarı kararlı dediği bir durumdadır: kâğıt üzerinde çoktan buharlaşmış olması gerekir, onu sıvı tutan tek şey moleküllerin birbirini bırakmamasıdır. Böyle bir sütuna en ufak bir hava kabarcığı girerse, kabarcık kapanmaz. Tam tersi olur: dışarıdaki basınç içeridekinden yüksek olduğu için kabarcık patlarcasına genişler, bir anda bütün boruyu doldurur ve o boru kalıcı olarak devre dışı kalır. Buna kavitasyon, tıkanan boruya da embolizm deniyor.

Hava genellikle yandaki boş bir borudan, aradaki geçit zarının gözeneklerinden içeri emilerek girer. Kuraklık arttıkça gerilim artar, gerilim arttıkça hava daha küçük gözeneklerden geçebilir hale gelir ve tıkanma bir borudan komşusuna yayılır. Bu süreç duyulabilir bir olaydır: 1960'ların ortasında araştırmacılar kuruyan gövdelere hassas alıcılar dayadıklarında, sütunlar koptukça yayılan ultrasonik tıkırtıları saymayı başardılar. Susuz kalan bir ağaç, kelimenin gerçek anlamıyla çatırdar.

Ağaçların buna karşı savunmaları var. Birincisi çokluk: gövdede paralel çalışan milyonlarca boru bulunur, birkaç yüzünün tıkanması akışı durdurmaz. İkincisi tasarım. İğne yapraklılarda hücreler arasındaki geçit zarının ortasında kalın bir tıpa vardır; komşu hücre havayla dolduğunda basınç farkı bu tıpayı geçidin ağzına doğru itip deliği kapatır, tıkanma yayılmadan mühürlenir. Üçüncüsü onarım. Kışın donan sudan çıkan gaz kabarcıkları baharda ağacın büyük bölümünü tıkalı bırakır; kök basıncının asıl işe yaradığı yer burasıdır, sütunları yeniden doldurmakta kullanılır. Akçaağaç şurubunun kaynağı olan o bahar akışı, aslında bir tamirat sürecidir.

Bütün bu savunmalara rağmen ağaç, kopma noktasına ne kadar yaklaşacağına dair bir bahis oynamak zorundadır. Stomaları erken kapatırsa güvende kalır ama aç kalır; geç kapatırsa büyür ama boruları tıkanır. 2012'de yayımlanan geniş bir derlemede dünyanın 81 farklı bölgesinden 226 orman türünün verileri bir araya getirildi ve sonuç çarpıcıydı: türlerin yüzde 70'i, tıkanma eşiğine 1 megapaskaldan daha yakın bir güvenlik payıyla çalışıyordu. Üstelik bu, yağışlı tropik ormanla kurak çalılığı ayırt etmiyordu. Ormanlar, nerede yetişirlerse yetişsinler, kendi sınırlarının hemen dibinde yaşamayı seçmiş görünüyor.

Bu da bizi yüksekliğin tavanına getiriyor. 2004'te Koch ve arkadaşlarının yürüttüğü bir çalışmada, araştırmacılar Kaliforniya'nın en uzun sekoyalarına ip ve kemerle tırmandılar; aralarında o dönem bilinen en uzunu olan, bugünkü rekortmenden birkaç metre kısa 112,7 metrelik bir ağaç da vardı. Tepeye çıktıklarında ölçtükleri şey şuydu: toprak sırılsıklam olsa, kökler hiç zorlanmasa bile, sırf yerçekimi ve boru sürtünmesi yüzünden tepedeki yaprakların içindeki gerilim aşağıdakilerden yaklaşık 1 megapaskal daha fazlaydı. Ve bu farkın izleri yaprakların kendisine kazınmıştı. Tepeye doğru çıkıldıkça iğne yapraklar kısalıyor, kalınlaşıyor, birim alan başına ağırlaşıyor, gövdeye daha sıkı yapışıyordu. Sebebi basit: bir yaprağın büyümesi, hücrelerin su alıp şişmesiyle olur. Tepedeki gerilim o kadar yüksektir ki hücreler yeterince şişemez, yaprak açılamaz. Yaprak açılamayınca da fotosentez düşer. Araştırmacılar yükseklikle birlikte değişen bu eğrileri uzattıklarında bir kesişme noktası buldular: yaprakların artık hiç genişleyemeyeceği, dolayısıyla ağacın yukarı doğru tek santim daha yatırım yapamayacağı yükseklik, 122 ile 130 metre arasında çıkıyordu.

Yani bugünkü en uzun ağaçlar tavana çarpmış durumda. Ve o tavanı belirleyen şey odunun dayanıklılığı, rüzgâr, toprak ya da besin değil. Tepedeki bir avuç iğne yaprağın, gerilmiş bir su ipinden şişecek kadar su çekip çekemeyeceği.

Bu sınırın bugün yeni bir anlamı var. Hava ısındıkça, aynı nemde bile havanın kuruluk gücü artıyor; bu da yaprağın üzerine binen çekimin, yani sütundaki gerilimin artması demek. Güvenlik payı zaten dar olan ağaçlar için bu, kopma eşiğine doğru sistematik bir kayma anlamına geliyor. Amazon'un 2005 ve 2010'daki büyük kuraklıklarında olan da buydu: geniş alanlarda ağaçlar susuzluktan değil, iletim sistemleri havayla dolduğu için öldü. Kökleri ıslak toprakta duran ağaçlar bile, borularındaki sütun bir kez koptuğunda suya ulaşamaz hale geliyor.

Mühendisliğin bu hattı taklit etme çabası ise henüz emekleme aşamasında. 2008'de araştırmacılar, nanometre ölçekli gözeneklere sahip bir jelden yapılmış minik bir yapı içinde suyu eksi 1 megapaskal dolayında kararlı bir gerilimde tutmayı ve buharlaşmayla akıtmayı başardılar; yani laboratuvarda çalışan bir yapay ağaç kurdular. Ama o düzenek birkaç santimetreydi ve haftalarca değil, saatlerce dayandı. Yüz metre boyunda, iki bin yıl boyunca kendini onararak çalışan bir versiyonunu henüz kimse yapamadı. Orman bunu her yaz sessizce, tek bir hareketli parça kullanmadan, yalnızca Güneş'in kurutma gücü ve su moleküllerinin birbirini bırakmama inadıyla yapıyor.

Nöron Bilim'de bugünkü bölümün sonuna geldik. Yeni bir hikâyede yeniden buluşmak üzere.