Question:
Comment les arbres soulèvent-ils l'eau à plus de 10 mètres?
Suzan Cioc
2013-10-23 17:04:34 UTC
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La pression atmosphérique est de 10 mètres d'eau (environ). Cela signifie qu'il est impossible de soulever de l'eau à plus de 10 mètres avec un vide ou une action capillaire (sur Terre, dans des conditions normales).

Il y a des arbres de plus de 10 mètres.

Comment lèvent-ils de l'eau jusqu'à leur sommet?

MISE À JOUR

En d'autres termes: comment la théorie de la cohésion-tension peut-elle être vraie si elle contredit apparemment les lois de la physique ?

MISE À JOUR 2

La pression atmosphérique aide à faire monter l'eau, pas à résister à la montée. Ce qui résiste, c'est le poids de l'eau. Lorsque la colonne d'eau atteint 10 mètres de haut, la pression atmosphérique ne peut plus aider.

Tout mécanisme d'adhésion / cohésion ne peut pas aider ici aussi, car il n'agit qu'en couche moléculaire mince. Pour transférer davantage la force d'action, la pression est nécessaire, ce qui est insuffisant à 10 mètres.

MISE À JOUR 3

Si nous avions un capillaire assez petit pour faire monter l'eau jusqu'à 10 mètres et ensuite nous construirons un capillaire plus petit qui, nous l'espérons, fera monter l'eau plus haut, nous échouerons. La colonne d'eau se brisera et ne montera pas à plus de 10 mètres.

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Menisci agit comme un petit piston et ne peut s'empêcher de monter de l'eau à plus de 10 mètres.

MISE À JOUR 4

La distribution de pression commune dans le capillaire est la suivante:

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$ P_0 $ est atmosphérique pression. Comme vous le voyez, juste sous les ménisques, la pression est abaissée de $ 2 \ sigma / R $ où $ R $ est le rayon des ménisques et $ \ sigma $ est la tension superficielle. Le terme entier est appelé "pression de Laplace". Comme vous le voyez, il ne peut pas remplacer la pression atmosphérique, car la continuité de l'eau sera interrompue dans le cas.

C'est-à-dire. aucun ménisque ne peut faire remonter l'eau à plus de 10 mètres.

L'existence d'arbres plus hauts prouve qu'il existe d'autres mécanismes importants, pas d'adhésion / cohésion, pas de capillarité.

MISE À JOUR 5

La version actuelle, telle que je l'ai comprise, est basée sur une déclaration selon laquelle une eau, si elle est placée dans un capillaire fin, peut se comporter comme un corps solide. En particulier, il peut résister à une tension jusqu'à moins 15 atmosphères.

C'est une résistance à la traction du béton , donc je ne crois pas cela sans preuves supplémentaires.

Je pense qu'il n'est tout simplement pas difficile de rendre mince tube, mettez-y de l'eau et vérifiez à quelle hauteur il peut monter.

Est-ce que ça a déjà été fait?

Ce n'est pas la seule pression atmosphérique qui pousse l'eau vers les sommets. Jetez un œil à la théorie de l'attraction de cohésion-tension-transpiration https://www.boundless.com/biology/water-and-solute-management-in-plants/transpiration/the-cohesion-tension-hypothesis-for-pulling-of -xylem-sap /
Copie possible de [Comment l'eau circule-t-elle dans les plantes?] (Http://biology.stackexchange.com/questions/1096/how-does-water-move-throughout-plants)
@SatwikPasani donc c'est une mauvaise théorie alors. La "pression négative" ne peut pas faire monter l'eau à plus de 10 mètres. C'est une loi plus fondamentale - la physique.
@Amory ce n'est pas un doublon, la question liée est répondue par l'action capillaire, celle-ci demande comment cela fonctionne spécifiquement à de grandes hauteurs.
Il semble que vous mélangiez trois mécanismes / forces différents pour déplacer l'eau: 1) la pression, 2) l'action capillaire et 3) la cohésion-tension. La règle des 10 m se réfère spécifiquement au pompage de l'eau en utilisant le vide / la pression atmosphérique.
Peut-être que [cette discussion] (http://5e.plantphys.net/article.php?id=99) fournit une meilleure explication de la pensée actuelle.
@terdon Cela revient vraiment à la même chose. Le commentaire y répond assez bien. Je pense que le problème sous-jacent ici est vraiment lié à la physique.
@Amory Je n'avais pas vu le commentaire, OK, assez bien.
@fileunderwater voir ma mise à jour2
Le point 4 d'@AlanBoyd sur votre lien est complètement faux: aucun petit ménisque ne peut faire monter la colonne d'eau à plus de 10 mètres. Pour monter l'eau sur 100 mètres, il faut vivre sur Jupiter.
@SuzanCioc Le fait est que vous ne semblez pas très ouvert pour apprécier la complexité du transport de l'eau dans une usine. Il y a plusieurs forces en jeu, et nous ne parlons pas d'une seule colonne d'eau aspirée sur 50 m. Comme cela a été mentionné, les forces capillaires, la cohésion-tension, l'osmose et le mouvement horizontal entre les cellules du xylème sont tous supposés contribuer.
@SuzanCioc De plus, la première mise à jour de votre question pourrait tout aussi bien être reformulée comme suit: * Comment les lois de la physique peuvent-elles être vraies, puisqu'elles sont évidemment contredites par des arbres vivants? *. Soit votre compréhension des lois physiques pertinentes pour ce cas est erronée, soit certaines lois très fondamentales doivent être révisées. Le fait que les arbres transportent l'eau jusqu'à leurs cimes est un fait.
@SuzanCioc Je pense que la mise à jour 3 de votre question est fausse. L'eau peut monter de plus de 10 m par capillarité, bien que ce ne soit pas la seule chose qui attire l'eau dans une plante. La «loi des 10 m» est très spécifique uniquement à une colonne confinée de liquide et n'est en aucun cas liée aux processus physiques tirant de l'eau dans un arbre.
@fileunderwater Je suis ouvert à toute réponse, y compris "nous ne savons pas". Mais je ne peux pas accepter les forces capillaires et la cohésion-tension parce qu'elles violeraient la loi de Pascal.
@fileunderwater Je ne pense pas que les arbres contredisent la physique. Je pense que les biologistes le font, s'ils pensent que les forces capillaires peuvent faire monter l'eau jusqu'à 100 mètres.
@SuzanCioc Non seulement ces processus ne violent pas la loi de Pascal, mais ils ne sont pas liés à eux d'une manière que vous pensez être liée à eux. Et je vous suggère de fournir ici une preuve quantitative (mathématique) pour valider votre argumentation sur les forces capillaires et la cohésion n'étant pas valable pour une remontée de sève selon la physique
@SatwikPasani suggère toute autre force qui peut faire monter l'eau, telle est la question. Menisci ne peut pas. Si c'est possible, les pompes ne seraient pas nécessaires pour alimenter en eau les bâtiments. Nous utiliserions juste un capillaire mince.
[Ma dernière contribution - essayez ceci.] (Http://www.fluid.dtu.dk/upload/fluid.dtu/articles09/missy_holbrook/pt_quickstudy0108 [1] .pdf). Il existe toute une littérature sur ce sujet, et je vous suggère de l'explorer.
@AlanBoyd Je l'ai exploré, mais je n'ai trouvé aucune réponse; peut-être que je l'ai manqué, alors, si vous ne l'avez pas fait, répondez à la question.
@SuzanCioc Vraiment? "* Les interfaces air-eau dans les parois cellulaires des feuilles, où la matrice de microfibrilles de cellulose est hautement mouillable et l'espacement entre elles donne des diamètres de pores effectifs de l'ordre de 5 à 10 nm. Un capillaire mouillable d'un diamètre de 2,91 μm tire sur l'eau juste assez fort pour équilibrer la pression atmosphérique de 0,1 MPa, de sorte que la pression dans l'eau est nulle. Pour des diamètres plus petits, la force capillaire est capable de soulever de l'eau supérieure à 10,33 m. Par exemple, la hauteur maximale d'une eau colonne avec un diamètre capillaire de 10 nm est de près de 3 km. * "
Le capillaire @Amory avec un diamètre de 10 nm ne peut pas soulever l'eau à 3 km, je l'ai déjà dit. Si quelqu'un dit cela, il ou elle a tout simplement tort. Bien sûr, je peux me tromper aussi, mais j'ai une explication de mon point (voir ci-dessus), tandis que d'autres utilisent simplement la loi de Jurine à l'aveuglette.
Quatre réponses:
#1
+12
fileunderwater
2013-10-24 13:28:25 UTC
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Clause de non-responsabilité: ce n'est pas mon domaine de recherche.


Premièrement, ce n'est pas une réponse complète à notre question. Une belle explication de l'hypothèse actuelle du transport de l'eau dans les arbres (théorie de la cohésion-tension de Dixon-Joly, initialement proposée en 1894) peut être trouvée sur L'étonnante physique de l'eau dans les arbres mais aussi dans Tyree (1997). Les points clés sont que la stomie (pores de la surface des feuilles) est si petite que les ménisques peuvent supporter d'énormes colonnes d'eau, que l'eau a de fortes forces de cohésion et que l'eau est transportée en utilisant la pression négative qui est créée par transpiration. La page Web liée ci-dessus contient une belle visualisation de la façon dont des multitudes de stomates et de ménisques créent de fortes pressions négatives:

Water transport in trees, from www.science4all.org/le-nguyen-hoang/the-amazing-physics-of-water-in-trees

Deuxièmement, une grande partie de la discussion actuelle dans les commentaires (une indication que la question pourrait être un mauvais ajustement pour Bio-SE?) tourne autour de la plausibilité de la théorie de la cohésion-tension, et spécifiquement sur la question de savoir si l'eau peut supporter de fortes pressions négatives. Caupin & Herbert (2006) examine la métastabilité et la cavitation dans l'eau (dans un journal de physique), et contient des résultats expérimentaux sur les pressions négatives dans l'eau. L'article fait référence à un grand nombre d'expériences sous diverses configurations expérimentales (je ne peux pas les juger équitablement). Dans leur conclusion, ils déclarent que:

Parmi les innombrables expériences de cavitation, seules celles qui portent une attention particulière à la pureté de l'eau peuvent atteindre de grandes pressions négatives; avec une variété de techniques, ils obtiennent tous un Pcav autour de -25 MPa à température ambiante (voir Fig. 3 (b)), ce qui est très éloigné de la valeur théorique (de -120 à -140 MPa). Il y a une exception notable: les expériences avec des inclusions minérales atteignent -140 MPa. Le grand écart entre ces données nécessite une attention particulière.

Donc, fondamentalement, les estimations théoriques se situent à -130MPa et les résultats empiriques à -25MPa (-250 atmosphères), et l'eau peut clairement atteindre de fortes pressions négatives. Cela signifierait également que les estimations actuelles sont beaucoup plus importantes que ce qui est nécessaire pour que la théorie de cohésion-tension fonctionne (pression atmosphérique = 0,1 MPa, pression négative dans la colonne d'eau à 50 m ~ -0,5 MPa).

Ils ont également une section traitant spécifiquement des arbres:

7.1. L'eau dans la nature
La loi de l'hydrostatique nous enseigne que la perte de charge dans une colonne d'eau de 10,2 m est de 0,1 MPa. Cela indique que des pressions négatives peuvent être atteintes dans la sève ascendante des grands arbres. En fait, des effets supplémentaires (écoulement visqueux, sécheresse) rendent la pression dans la sève négative même à des hauteurs plus petites. La théorie de la cohésion-tension, d'abord proposée par Dixon et Jolly [56], explique que la colonne de sève est maintenue au sommet par le ménisque dans le pore des feuilles: par la loi de Laplace, la courbure du ménisque permet un saut de pression entre l'extérieur la pression de l'air et la dépression dans la sève. Les arbres contiennent ainsi de grandes quantités de liquides métastables. Une cavitation peut parfois se produire, perturbant la colonne de liquide et arrêtant l'écoulement (embolie de xylème). L'architecture hydraulique complexe des arbres limite les dommages et des stratégies existent pour remplir les canaux de xylème emboliés. Beaucoup de travail a été consacré à ce sujet et est passé en revue dans Refs. [110,111].

Il est également prouvé que le risque d'embolie au xylème augmente avec la hauteur de l'arbre, ce qui crée un compromis entre l'efficacité du transport de l'eau et les adaptations structurelles pour faire face à l'embolie ( Domec et al. 2008) . Ceci est par exemple facilité par le diamètre de l'ouverture de la fosse des trachéides, les ouvertures diminuant avec la hauteur le long d'un arbre, provoquant une résistance accrue à l'embolie mais en même temps une conductance de l'eau inférieure. Cela limitera clairement la hauteur des arbres, et l'article indique que les plus grands sapins de Douglas sont à la limite de ce qu'ils peuvent réaliser.

Un autre article récemment publié qui devrait être pertinent est ' Méthodes pour mesurer la vulnérabilité des plantes à la cavitation: un examen critique 'par Cochard et al. (2013), mais je n'ai pas eu le temps d'examiner cela de près. Voir le résumé ci-dessous:

Résumé:
La résistance à la cavitation du xylème a de profondes implications pour la physiologie et l'écologie des plantes. Ce processus est caractérisé par une «courbe de vulnérabilité» (VC) montrant la variation du pourcentage de cavitation en fonction du potentiel de pression du xylème. La forme de cette VC varie de «sigmoïdale» à «exponentielle». Cette revue offre un panorama des techniques qui ont été utilisées pour générer une telle courbe. Les techniques diffèrent par (i) la manière dont la cavitation est induite (par exemple la déshydratation sur banc, la centrifugation ou l'injection d'air), et (ii) la manière dont la cavitation est mesurée (par exemple le pourcentage de perte de conductivité (PLC) ou l'émission acoustique) et une nomenclature est proposé sur la base de ces deux méthodes. Une étude de la littérature de plus de 1 200 CV a été utilisée pour établir des statistiques sur l'utilisation de ces méthodes et sur leur fiabilité et validité. Quatre méthodes représentaient plus de 96% de toutes les courbes produites à ce jour: déshydratation de banc – PLC, centrifugation – PLC, manchon de pression-PLC et Cavitron. La façon dont la forme des CV varie selon les techniques et l'anatomie du xylème des espèces a également été analysée. De manière frappante, il a été constaté que la grande majorité des courbes obtenues avec la méthode de déshydratation sur banc de référence-PLC sont «sigmoïdales». Les courbes «exponentielles» étaient plus typiques des trois autres méthodes et étaient remarquablement fréquentes pour les espèces ayant de grands conduits de xylème (anneau poreux), conduisant à une surestimation substantielle de la vulnérabilité de la cavitation pour ce groupe fonctionnel. Nous soupçonnons que les courbes «exponentielles» peuvent refléter un artefact à vaisseau ouvert et nécessitent plus de précautions avec l’utilisation du manchon de pression et des techniques de centrifugation.

Tout le monde obtient plus, mais je ne peux toujours pas accepter moins 15 atmosphères dans les arbres. Bien sûr, je suis d'accord que les états métastables peuvent exister en principe. Je vais explorer tout cela ...
@SuzanCioc Je suis d'accord que c'est à la fois difficile à croire et vraiment cool. Cependant, avec -15atmos, vous parlez des arbres les plus hauts. Il y a aussi beaucoup de preuves que, à ces hauteurs, les arbres sont vraiment à la limite de ce qu'ils peuvent réaliser - voir par ex. [* La hauteur maximale d'un conifère est associée à des exigences contradictoires pour la conception du xylème *] (http://www.pnas.org/content/105/33/12069).
@SuzanCioc De plus, ma réponse a été principalement inspirée par votre mise à jour 5 qui demandait si "* ... l'eau, si elle est placée dans un capillaire fin ... peut résister à une tension jusqu'à moins 15 atmosphères *".
#2
+4
Memming
2013-10-23 23:53:38 UTC
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Voici Veritasium sur youtube a une explication qui est la même que le commentaire de @ AlanBoyd.

Un liquide métastable peut avoir une pression négative.

si vous êtes capable de traduire cette vidéo en réponse, veuillez le faire. Cela obtiendrait mon vote. @suzancioc Ma compréhension avant, renforcée par cette vidéo, est que les arbres sont dans le domaine étonnant de la nanohydraulique.
Donc, le but de cette vidéo est que l'eau peut se comporter comme un corps solide et exprimer une tension jusqu'à moins 15 atmosphères si elle est placée dans un petit capillaire. Ce point peut-il être prouvé par une expérience directe? Je ne le crois pas tel quel. Je pense aussi que si cela était vrai, il y aurait des sous-séquences. Par exemple, si l'arbre est coupé à un niveau élevé, nous devrions entendre un son de tir comme une corde tendue ...
Veuillez consulter ma mise à jour. La capacité de résister à une pression négative est appelée «résistance à la traction». Et la capacité à résister à moins 15 atmosphères équivaut à la résistance à la traction du béton. Croyez-vous vous-même que les arbres transforment l'eau en béton?
@AtlLED Je n'exclus pas la nanohydraulique, mais je souhaite avoir une réponse justifiée.
Vous pourriez être intéressé par cette référence sur [Henry Horatio Dixon] (http://www.tcd.ie/Botany/tercentenary/300-years/chairs/henry-horatio-dixon.php)
Merci pour les commentaires. Puisque @fileunderwater a fait un excellent travail, je ne prendrai pas la peine de mettre à jour ma réponse. :)
#3
+3
Alan Boyd
2013-10-25 00:09:05 UTC
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Autre avertissement: ce n'est pas mon domaine et je ne suis pas compétent pour juger du contenu de l'article que je porte à votre attention.

J'ai dit ci-dessus que je ne ferais pas d'autre contribution, mais j'ai trouvé quelque chose d'autre qui mérite d'être partagé dans ce contexte et qui complète la réponse de @fileunderwater

Wang Z et al. (2012) Augmentation capillaire dans un microcanal de forme arbitraire et de mouillabilité: boucle d'hystérésis. Langmuir 28: 16917-16926

Cet article comprend la modélisation, les calculs d'énergie gratuite et l'expérimentation sur ce problème. Les mathématiques me dépassent de loin, mais elles arrivent à une conclusion très intéressante, à savoir que même si un arbre ne peut pas partir d'une position sans liquide dans le xylème puis se remplir jusqu'au sommet, il peut commencer très petit et pousser au-delà de la hauteur. qui peut être maintenu par simple capillarité et jusqu'à 100 m tant que la colonne d'eau n'est jamais rompue.

Le papier est derrière un paywall, mais je reproduis ci-dessous ce qui est essentiellement la section discussion. Bien que cela donne une idée du travail, je dois souligner qu'il présente un traitement théorique très turgescent du problème et vaut bien le coup d'œil.

V. IMPLICATION POUR LE TRANSPORT PAR EAU VERS LES HAUTS DES GRANDS ARBRES La plupart des physiologistes des plantes acceptent la «théorie de la cohésion-tension» comme explication de l'ascension de la sève.26 Dans cette théorie qualitative, le mouvement de l'eau dépend de trois propriétés physico-chimiques importantes de l'eau, qui correspondent en fait à la montée capillaire ( cohésion), la cavitation (tension) et la paroi hydratée (faible angle de contact), respectivement. Dans cette section, nous nous concentrons uniquement sur l'implication de l'équilibre général des forces et de l'hystérésis en boucle dans la montée capillaire d'un grand arbre. La hauteur à laquelle s'élève l'eau dans un arbre dépend de la taille des conduits de transport. Si l'on coupe un arbre et regarde à l'intérieur, les dimensions capillaires des conduits relativement grands (le tube de xylème) sont de l'ordre de 100 µm.27 En conséquence, la remontée capillaire est d'environ 0,1 m. Si la seule pression capillaire expliquait l'élévation de l'eau jusqu'à la cime d'un arbre de 100 m de haut, comme les séquoias côtiers de Californie, un rayon capillaire d'environ 100 nm est nécessaire. Il a été suggéré que la dimension capillaire pertinente est les interfaces air-eau dans les parois cellulaires des feuilles les plus hautes. La matrice de microfibrilles de cellulose est hautement mouillable et l'espacement entre elles donne des diamètres de pores efficaces d'environ 10 nm. On a fait remarquer qu'il n'est pas nécessaire que le capillaire ait un petit alésage sur toute sa longueur. Seul l'alésage au ménisque (c'est-à-dire dans la feuille supérieure) est pertinent.27 Cette conséquence a été prouvée dans notre expression générale de l'équilibre des forces, eq 4. Notez qu'un microcanal contenant des coins ou des cuspides sur sa section transversale n'est pas pris en compte dans la dérivation de l'équation 4. Les filaments liquides s'étendent à l'infini dans les coins ou les cuspides28. Néanmoins, l'élévation de la colonne liquide est toujours inversement proportionnelle à la dimension caractéristique de la section transversale du tube. Pour les solutions satisfaisant l'équilibre des forces, il existe néanmoins la question de la stabilité physique. Un petit alésage au niveau de la feuille supérieure relié à un conduit de xylème plus grand révèle la présence d'un micro-canal convergent. En conséquence, plusieurs hauteurs stables sont possibles, comme décrit dans les analyses susmentionnées. Cependant, l'état final dépend de la condition initiale. Le liquide montera à une hauteur stable correspondant au conduit de xylème plus grand si le microcanal est initialement vide. En d'autres termes, le liquide ne montera pas de lui-même jusqu'à la hauteur stable près du sommet du canal convergent car il ne pourra pas traverser le conduit plus grand du canal. Cette situation est néanmoins stable si le liquide est aspiré vers le haut puis l'aspiration est supprimée. Comment un grand arbre acquiert-il de telles pressions négatives (d'aspiration) d'en haut? Comme démontré dans nos expériences, la montée progressive d'un cône initialement immergé est capable de maintenir la stabilité du ménisque sur le dessus du cône tronqué tant que l'équilibre des forces est satisfait. Il faut noter que l'angle de contact au voisinage de l'embouchure des petits pores peut être réglé pour atteindre l'équilibre des forces lorsque le microcanal n'est pas assez haut. La croissance lente de l'arbre peut être considérée comme une montée progressive du canal convergent. Tant que le transport de l’eau vers les pores des feuilles les plus hautes n’est pas interrompu tout au long de la croissance de l’arbre jusqu’à 100 m, cette hauteur stable peut être obtenue sans recourir à la succion.

C'est une question intéressante. Quelle approche.
#4
+2
Asaga
2014-01-09 03:31:11 UTC
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L'article suivant a examiné les travaux d'exploration de l'eau à pression négative, depuis la première tentative il y a cent ans, lorsque la plus grande tension atteinte était de -3,4 MPa à 24 ° C, jusqu'à la mesure la plus récente de l'eau à température ambiante jusqu'à - 26 MPa:

http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/72/64/37/PDF/Caupin-JPCondensedMatter-2012.pdf

Par conséquent, les arbres peuvent soulever de l'eau à plus de 10 mètres parce que l'eau est tirée vers le haut par une pression négative au sommet (théorie de la cohésion-tension CTT). La tension nécessaire pour amener l'eau jusqu'aux arbres les plus hauts est de -1,2 MPa, ce qui est très plausible, car elle est inférieure à la valeur mesurée il y a cent ans.

Le même texte a également été publié dans [Journal of Physics: Condensed matter] (http://iopscience.iop.org/0953-8984/24/28/284110/).


Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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