Jak stromy přečerpávají vodu do závratných výšek? Vědci žasnou nad dokonalostí přírody

Každý den odehrávají stromy něco, co by ještě před několika desetiletími většina lidí označila za téměř nemožné. Bez motorů, čerpadel, elektřiny nebo jediné pohyblivé součástky dopravují tisíce litrů vody z půdy až do korun sahajících do výšky více než sedmdesáti metrů. Právě tato mimořádná schopnost dlouho představovala jednu z největších záhad rostlinné říše. Nová mezinárodní studie publikovaná v prestižním časopise Science nyní ukazuje, že příroda tento problém vyřešila způsobem, který překvapil i samotné odborníky.
Dostat vodu do vyšších míst patří odjakživa mezi největší technické výzvy lidstva. Už obyvatelé starověkého Egypta využívali jednoduché pákové mechanismy známé jako šadufy, které pomáhaly zavlažovat pole podél Nilu. O několik století později přišel řecký matematik Archimédés s důmyslným šroubem, který dokázal vodu vytlačovat vzhůru pomocí otáčivého pohybu. Ve středověku se rozšířila vodní kola, později pístová čerpadla poháněná parou a nakonec moderní odstředivá čerpadla využívající elektromotory. Každá generace konstruktérů usilovala o vyšší výkon, větší spolehlivost a schopnost přečerpat vodu do stále větších výšek.
Přesto existuje technologie, která všechny lidské vynálezy o miliony let předchází. Nenajdeme ji v továrnách ani ve strojovnách vodáren. Roste v lesích. Každý strom představuje mimořádně propracovaný hydraulický systém, který nepřetržitě pracuje od okamžiku vyrašení až do konce života. Neopotřebovává se třením, nepotřebuje mazání, palivo ani pravidelný servis. Přesto dokáže každý den dopravovat vodu z kořenů až do nejvyšších větví, kde se mění v páru a odchází do atmosféry.
Na první pohled se může zdát, že jde o běžný přírodní proces. Ve skutečnosti však představuje jeden z nejpozoruhodnějších fyzikálních jevů v živé přírodě. Voda totiž není do koruny tlačena žádným mechanickým čerpadlem. Strom nemá srdce ani jiný orgán, který by kapalinu aktivně poháněl vzhůru. Přesto proudí nepřetržitě rychlostí, která stačí zásobovat miliony listů vodou potřebnou pro fotosyntézu i ochlazování celé koruny.
Celý mechanismus pohání energie Slunce. Jakmile se z listů začne odpařovat voda, vzniká jemná sací síla, která táhne souvislý sloupec vody z kořenů až do koruny. Díky mimořádné soudržnosti molekul vody a dokonale uspořádaným vodivým cévám funguje tento přírodní hydraulický systém nepřetržitě po celý život stromu. Fotosyntéza tento proces podporuje, protože vyžaduje otevřené průduchy, jimiž současně uniká vodní pára.
Právě otázka, jak daleko může tento přírodní systém zajít, zaměstnávala botaniky, lesní ekology i fyziology rostlin po několik desetiletí. Čím vyšší strom je, tím delší cestu musí voda urazit. Na každém dalším metru působí gravitace a zároveň narůstá odpor, který vzniká při proudění úzkými vodivými cévami uvnitř kmene. Mnoho odborníků proto předpokládalo, že existuje určitá výšková hranice, za níž už nebude možné vodu dopravovat dostatečně rychle a bezpečně. Právě hydraulický systém měl podle této představy určovat maximální výšku stromů.
Tato hypotéza se objevovala v odborné literatuře po mnoho desetiletí a postupně se stala jedním ze základních vysvětlení, proč stromy nedorůstají výšek srovnatelných například s mrakodrapy. Zdálo se to logické. Každý další metr znamená větší energetickou i fyzikální zátěž. Navíc existuje riziko, že se ve vodivých cévách vytvoří drobné vzduchové bubliny. Ty mohou proudění vody přerušit podobně, jako když se zavzdušní potrubí. Pokud by k tomu docházelo ve větším rozsahu, strom by přestal zásobovat korunu vodou a jeho listy by začaly usychat.
Právě tuto představu se rozhodl prověřit mezinárodní tým vědců vedený Paulem Bittencourtem z Cardiff University. Výsledky svého několikaletého výzkumu publikovali v časopise Science pod názvem Height does not impair the hydraulic system of the tallest tropical Dipterocarp trees. Na výzkumu spolupracovali vědci z Mendelovy univerzity v Brně, České zemědělské univerzity v Praze spolu s odborníky z Velké Británie, Malajsie, Německa, Španělska, Brazílie a Spojených států amerických. Spojením zkušeností z fyziologie rostlin, anatomie dřeva, ekologie tropických lesů i moderních analytických metod vznikl jeden z nejpodrobnějších výzkumů hydrauliky vysokých stromů, jaký byl kdy proveden.
Místem výzkumu se stal tropický deštný les na malajsijském Borneu. Právě zde rostou dipterokarpy, tedy stromy, které patří mezi nejvyšší kvetoucí rostliny na světě. Některé z nich přesahují sedmdesát metrů a vytvářejí nejvyšší patro tropického pralesa. Jejich koruny se koupou v intenzivním slunečním záření, zatímco kmeny vyrůstají z hlubokého stínu pralesního podrostu. Rozdíl mezi kořeny a nejvyššími listy tak odpovídá výšce panelového domu s více než dvaceti patry.
Jen dostat se do korun těchto obrů představovalo mimořádně náročný úkol. Výzkumníci museli šplhat po lanech desítky metrů nad zem, odebírat vzorky z různých částí korun, větví i kmenů a následně je podrobovat velmi přesným laboratorním analýzám. Každé měření vyžadovalo pečlivou přípravu, protože i drobné poškození vodivých pletiv mohlo výsledky zkreslit. Celkem bylo podrobně analyzováno třicet osm stromů pěti druhů, jejichž výška se pohybovala od necelých osmi až po více než sedmdesát metrů.
Vědci přitom nezkoumali pouze samotný transport vody. Zajímala je také velikost vodivých cév, jejich hustota, anatomie dřeva, vodní potenciál listů, schopnost odolávat vzniku vzduchových bublin i to, jak se jednotlivé vlastnosti mění s rostoucí výškou stromu. Současně sledovali přírůstky stromů po dobu delší než dva roky, během nichž prales zasáhlo i výrazné období sucha spojené s klimatickým jevem El Niño. Díky tomu mohli poprvé spojit detailní laboratorní měření s tím, jak stromy skutečně fungují v přirozeném prostředí.
Když začaly přicházet první výsledky, ukazovalo se, že realita je mnohem zajímavější, než předpokládaly dosavadní teorie. Ukázalo se totiž, že nejvyšší stromy nejsou oběťmi vlastní výšky. Naopak se během svého života postupně přestavují tak, aby jejich hydraulický systém zůstával stejně spolehlivý bez ohledu na to, zda měří deset nebo sedmdesát metrů. Jinými slovy, strom s rostoucí výškou nezůstává stejný. Nepřidává pouze další vrstvy dřeva a nové větve. Mění samotnou konstrukci svého vnitřního rozvodu vody.
Největší pozornost vědci věnovali vodivým cévám, tedy mikroskopickým trubicím, které tvoří dřevní pletivo. Právě jimi proudí voda s rozpuštěnými minerálními látkami z kořenů až do nejvyšších listů. Na první pohled se může zdát, že jde o jednoduché trubičky, ve skutečnosti však jejich průměr, hustota i prostorové uspořádání rozhodují o tom, jak účinně bude celý strom fungovat. Stačí nepatrná změna průměru a odpor proudění se dramaticky změní. Tento princip ostatně znají i konstruktéři vodovodních sítí nebo ropovodů. Čím širší potrubí, tím snazší proudění kapaliny.
Právě zde přišlo první velké překvapení. Vědci zjistili, že vodivé cévy se směrem dolů postupně rozšiřují. Strom tedy nevytváří po celé své délce stejně silné potrubí, ale buduje promyšlenou síť, která přesně odpovídá rostoucím nárokům na transport vody. Zatímco v koruně jsou cévy poměrně úzké, u báze kmene dosahují výrazně větších rozměrů. Díky tomu odpor proudění prudce klesá a voda může bez větších překážek překonávat i desítky metrů dlouhou cestu.
Výpočty ukázaly, že hydraulická vodivost u báze sedmdesátimetrového stromu byla přibližně osmkrát vyšší než u stromu vysokého deset metrů. Strom tedy s rostoucí výškou si vytváří stále výkonnější rozvodnou síť. Je to podobné, jako kdyby se vodovodní potrubí ve městě automaticky rozšiřovalo pokaždé, když přibude nová čtvrť nebo vyšší budova.
Tím ale překvapení neskončila. Dosavadní botanické teorie vycházely z předpokladu, že každé zvýšení účinnosti musí být vykoupeno určitým rizikem. Širší cévy totiž podle mnoha předchozích studií usnadňují proudění vody, současně však mají být citlivější na vznik embolie. Tento jev nastává ve chvíli, kdy se ve vodivých cévách objeví drobné vzduchové bubliny. Ty dokážou proudění vody zastavit podobně jako vzduchová kapsa v potrubí. Pokud se embolie rozšíří do větší části stromu, může dojít k usychání větví nebo dokonce k odumření celé rostliny.
Právě proto se předpokládalo, že příroda musí hledat kompromis mezi rychlostí a bezpečností dopravy vody. Výsledky nové studie však ukázaly něco jiného. U zkoumaných dipterokarpů se tento předpokládaný kompromis prakticky neprojevil. Stromy si dokázaly zachovat vysokou účinnost transportu vody, aniž by současně rostla jejich náchylnost k hydraulickému selhání. Jinými slovy, příroda našla způsob, jak spojit dvě vlastnosti, které byly dosud považovány za vzájemně obtížně slučitelné.
Stejně fascinující byly změny odehrávající se v korunách stromů. Listy rostoucí desítky metrů nad zemí nejsou totožné s těmi, které vyrůstají na nižších větvích. Jsou menší, silnější a obsahují více pevné hmoty. Nejde o náhodu ani o důsledek stáří listů. Je to další z mnoha přizpůsobení, které pomáhá hospodařit s vodou mnohem účinněji. Menší list odpaří méně vody, silnější pletiva lépe odolávají intenzivnímu slunečnímu záření a celá koruna tak dokáže fungovat i v podmínkách, které jsou z hlediska zásobování vodou mimořádně náročné.
To vše ukazuje, že strom nelze chápat jako soubor oddělených částí. Kořeny, kmen, větve i listy vytvářejí jediný dokonale sladěný celek. Jakmile se během růstu změní jedna část systému, postupně se přizpůsobují i všechny ostatní. Evoluce tak během milionů let vytvořila konstrukci, která připomíná promyšlené technické dílo. Rozdíl spočívá pouze v tom, že její jednotlivé součásti nejsou vyrobeny z oceli ani z plastů, ale z živých buněk, které se neustále obnovují a přizpůsobují okolním podmínkám.
Velmi cennou součástí studie bylo také sledování stromů během období výrazného sucha. Tropické pralesy bývají často vnímány jako prostředí s neomezeným množstvím vody, skutečnost je však složitější. Klimatický jev El Niño pravidelně přináší období, kdy množství srážek výrazně klesá a stromy se musí vyrovnávat s nedostatkem vláhy. Právě tehdy by se případné slabiny hydraulického systému měly projevit nejvýrazněji.
Ani zde se však očekávání nepotvrdilo. Sucho sice zpomalilo růst všech sledovaných stromů, nejvyšší jedinci ale nebyli znevýhodněni více než stromy nižší. Samotná výška tedy nepředstavovala rozhodující problém. Hydraulický systém zůstával funkční i v době, kdy voda začínala být vzácnější. To představuje důležitou zprávu nejen pro pochopení fungování tropických pralesů, ale také pro odhady jejich budoucího vývoje v měnícím se klimatu.
Nová studie tak významně mění pohled na jednu z nejstarších otázek lesní ekologie. Jestliže transport vody nepředstavuje hlavní překážku dalšího růstu, bude nutné hledat odpověď jinde. Limitem může být mechanická stabilita kmene, množství energie potřebné k tvorbě stále větší biomasy, dostupnost živin nebo stále častější výskyt extrémních meteorologických jevů. Jisté však je, že samotná hydraulika nejvyšší stromy nezastavuje.
Výzkum přináší i širší poselství. Člověk po tisíciletí zdokonaloval čerpadla, potrubí a vodní systémy, aby dokázal dopravit vodu do vyšších pater budov, zavlažit pole nebo zásobit města pitnou vodou. Nejvyšší tropické stromy však řeší stejný problém už desítky milionů let. Bez jediného motoru, bez elektroniky, bez ventilů a bez jakékoliv údržby každou sekundu přepravují vodu do korun, které převyšují většinu kostelních věží. Fungují nepřetržitě po stovky let a jejich účinnost se během růstu dokonce zvyšuje. Příroda tak znovu předběhla člověka a nejvyšší stromy nám ukázaly, jak vypadá dokonalá vodní pumpa.


































