木の 根は、土の 中の 水を すいます。その 水は、木の 中の 細い くだを 通って、上へ のぼって いきます。

ところが、その 水の ほとんどは、葉から 空気の 中へ 出て いきます。この 動きを 蒸散じょうさんと いいます。出口は、葉の 表に ある 小さな あなで、気孔きこうと よばれます。蒸散じょうさんの 90%より 多くが、気孔きこうから 出ると 説明せつめいされて います［1］。

いつも 水を すてて いるのなら、木は もったいない ことを して いるのでしょうか。じつは、この 出て いく 動きが、水が のぼる 力に つながって います。次は、その 力を 見て みましょう。

根から取り込まれた水は、幹の中の細い管を通って葉まで上がります。ところが、その大半は葉に着いたあと、水蒸気になって空気中に出ていきます。この現象を蒸散じょうさんと呼びます。日本植物生理学会の解説では、取り込んだ水の約99%が蒸散で大気中に放出されるとされています［1］。

蒸散の出口は、葉の表皮にある小さな穴、気孔きこうです。葉の表面から出る水の90%以上は、気孔を通ると説明されています［1］。蒸散の量は日光の強さなどにも左右されます［9］。

根から取り込んだ水の約99%が、空気中へ出ていきます。この蒸散が、水を上へ引く力を生むと説明されています。それはどんな力なのでしょうか。

根から取り込まれた水の約99%は、光合成などに使われることなく、道管を通って葉に達し、大気中へ放出される。この過程が蒸散であり、日本植物生理学会の解説では、葉の表面からの蒸散の90%以上が気孔を通ると説明されている［1］。蒸散の量は日光の強さなどの条件でも変わる［9］。

根の側では、内皮のカスパリー線(スベリンを含む層)が水の素通りを止めるため、水は内皮の生きた細胞を通って、木部のある中心柱に入る［6］。木部に入った水は、針葉樹では直径20〜30µm(0.02〜0.03mm)ほどの仮道管、広葉樹の環孔材では直径約0.3mmの太い道管を通る［3］。0.3mmは0.02〜0.03mmの10〜15倍にあたる。

では、吸い込む装置のない木が、なぜ水の99%を葉へ通し続けられるのか。蒸散によって、道管の水を引き上げる力が生まれると説明されている。次の章で、その中身を見る。

ジュースを ストローで すうと、ストローの 中の ジュースが 切れずに のぼって きます。木の 中では、葉から 水が 出て いくと、つながった 水が 上へ 引かれると 考えられて います。ストローに にた ことが 起きて いるのです。

葉から 水が 空気に 出て いくと、その 分、くだの 中の 水が 上へ 引かれます。水の つぶは、おたがいに 引きあいます。この 力が あるので、水は つながった ままです。水が ひとつながりの 糸のように なって いるので、葉の 水を 引くと、下の 水も ついて きます。引く 力は、高さ 80メートルの 木まで 水を とどけるのに 足りるほど 強いと 説明せつめいされて います［1］。

ただし 木には ストローを すう 人は いません。引く 力を 作るのは、葉から 出て いく 水です。

木の 幹みきは、昼に 蒸散じょうさんが さかんに なると、すこし 細くなると いわれます［6］。中の 水が 引っぱられて いる あかしの ひとつです。

蒸散で葉の水が空気中に出ていくと、葉の中の水が減り、道管の水が上へ引かれます。この引く力は「負圧」や「張力」と呼ばれ、日本植物生理学会は、高さ80mの木まで水を引き上げるのに十分な大きさだと説明しています［1］。

引っぱっても水が切れないのは、水の分子同士が引き合うからです。この力が凝集力で、水柱が切れずにつながったまま引き上げられると説明されています［1］。米国森林局の研究者による論文では、水分子の強い水素結合のおかげで、水は引っぱられた状態でも液体のままでいられると述べられています［2］。例えるなら、ストローでジュースを吸うと、中のジュースが切れずに上がるのに近い現象です。ただし木にはストローを吸う人がいません。引く力のもとは、葉から出ていく水です。

この「引っぱられている」ことを示す観察があります。木は、日中に蒸散しているあいだ、木部にかかる張力のために幹が縮むと講義資料で紹介されています［6］。

ところで、水は下から押し上げられている可能性はないのでしょうか。根の力は、どれくらいなのでしょうか。

蒸散によって葉の水が失われると、道管内の水に負圧(張力)がかかり、水が引き上げられる。日本植物生理学会の解説では、この負圧は高さ80mの木まで水を引き上げるのに十分な大きさとされる［1］。

この「凝集力-張力説」では、水柱が引かれても切れないことが条件になる。水分子は水素結合で互いに強く結びつき、そのため水は張力のもとでも液体のままでいられる［2］。水の凝集力によって切れずに引き上げられることは、日本植物生理学会の解説にも書かれている［1］。ここでは、水素結合が水柱の連続性を支え、葉で生じた引っぱりが根の近くまで伝わると読み取れる。

観察の裏づけもある。木は日中、蒸散しているあいだ、木部の張力によって幹が縮むと紹介されている［6］。蒸散の引っぱりが、木部の水柱に実際にかかっていることを示す。

では、水は根の側から押し上げられてはいないのか。この疑問を次に検討する。

根にも、水を 上へ おす 力が あります。ねあつと よばれます。

けれども、いままでに はかられた いちばん 大きな ねあつでも、5〜6バールほどです［6］。小さな 植物では 水を はこぶ 助けに なる ことが あります。でも、ほとんどの 植物の 水の ぼりを 説明せつめいするには たりないと されて います［7］。

だから、高い 木の 水は、おもに 葉の 引く 力で のぼると 考えられて います。

根の細胞が水を道管へ押し出す力を「根圧」といいます。ただ、これまでに実測された最大の根圧は、5〜6バール(75〜90psi)ほどだと講義資料に書かれています［6］。

タイの教育資料では、根圧は小さな植物の水の輸送には役立つことがあっても、ほとんどの植物の水の輸送は説明できないと整理されています［7］。

こうして、高い木では、根が押す力よりも、葉の側で引く力が主役だと考えられています。ところが、葉には別の問題があります。水を空気に渡すための穴を開けたままでは、水がどんどん失われてしまいます。木は、この穴をどう扱っているのでしょうか。

根圧は、根の側から木部へ水を押し込む圧力である。しかし実測された最大値は、5〜6バール(75〜90psi)程度にとどまる［6］。根圧は小さな植物では水輸送に役立つ場合があるが、ほとんどの植物の水輸送は説明できない［7］。

実測の上限が小さいことと、ほとんどの植物の水輸送は根圧では説明がつかないこと。この2点から、根圧を主役とは考えにくい。

したがって、主役は葉側の引く力と考えるのが自然である。ところが、その引く力は、気孔という穴を介して成り立っている。気孔を開ければ水が失われ、閉じれば引く力も弱まる。木は、このつり合いをどう取っているのか。

気孔きこうは、空気を 出し入れする 小さな とびらの ようなものです。植物は、光合成こうごうせいに つかう 二酸化炭素にさんかたんそを とりこむ ために、気孔きこうを 開けます。けれども 開けると、水も にげて いきます。だから 植物は、とりこむ ことと、水を まもる ことの 間で つり合いを とって います［8］。

気孔きこうを 作る 細胞さいぼうは、孔辺細胞こうへんさいぼうと よばれます。この 細胞さいぼうの 中の おす 力が 高まると、ふくらんで まがり、気孔きこうが 開きます［8］。

水が 少ない ところに すむ サボテンなどは、ほかの 植物より 蒸散じょうさんする 水を 少なく して、大切な 水を せつやくして います［9］。

日本の 理化学研究所の 研究では、気孔きこうを とじる はたらきに かかわる 部品が こわれた 草は、ふつうより 水が 出て いく りょうが 多かったと 報告ほうこくされて います［5］。

葉の気孔は、二酸化炭素を取り込む入口でもあります。光合成に使う二酸化炭素を取り込むために気孔を開けると、水蒸気も失われます。そのため植物は、気体の出入りと水の損失のつり合いをとらなければなりません［8］。

気孔を作る一対の細胞が孔辺細胞こうへんさいぼうです。孔辺細胞の中の圧力(膨圧)が高まると、細胞が膨らんで湾曲し、気孔が開きます［8］。

水が少ない土地の植物は、この損失を抑えています。サボテンなど乾燥地の植物は、ほかの植物より蒸散する水を少なくして、貴重な水を節約していると米国地質調査所は説明しています［9］。

理化学研究所は、孔辺細胞で働く輸送因子「AtABCG22」を調べました。この因子の遺伝子を壊した植物では、通常よりも蒸散量が多くなったと報告しています［5］。気孔の閉じやすさが、蒸散の量に関わっている例です。

では、乾燥が強く、水の引っぱりが大きくなりすぎたら、水の糸はどうなるのでしょうか。

気孔の開閉には、トレードオフがある。二酸化炭素を取り込むために開けると水蒸気を失うので、植物はガス交換と水損失のつり合いを取る必要がある［8］。気孔は、孔辺細胞の膨圧が上がって細胞が膨らみ、湾曲することで開く［8］。

この調節は、種や環境で異なる。サボテンなど乾燥地の植物は、他の植物より蒸散量を抑えて水を節約している［9］。理化学研究所は、孔辺細胞で働く輸送因子AtABCG22の遺伝子破壊型変異体で、通常よりも蒸散量が多いことを見いだしている［5］。これは一種の植物での結果であり、すべての植物の気孔制御を一般化するものではない。

気孔を開ければ引く力を生める一方、水の損失は避けられない。乾燥が進み、引く力が強まりすぎたとき、水柱そのものはどうなるのか。ここで、樹高の限界の問題につながる。

かんそうが つよいと、くだの 中の 水が ひっぱられすぎて、切れて しまう ことが あります。水の 中に 小さな あわが できて、くだが 空気で いっぱいに なるのです。この ことは、キャビテーションと よばれます［3］。

木が 高くなるほど、水を 上げるには 重力に さからう 力と、くだを 通る ときの 抵抗ていこうが ふえて、葉は 水が 足りなく なります。水が 足りないと 光合成こうごうせいが おさえられると 説明せつめいされて います［4］。

2004ねんの 論文ろんぶんが しらべた、そのころ いちばん 高いと 知られていた 木は、高さ 112.7メートルの セコイアでした。論文ろんぶんでは、木が けがを しなければ、122〜130メートルが 高さの 上限じょうげんだと 見つもられて います［4］。

水を 運ぶ しくみが、木の 高さの 限界げんかいに 関係かんけいして いるようです。

乾燥が強く、引く力が大きくなりすぎると、道管の中の水柱が切れて、気泡ができることがあります。気泡が生じて道管や仮道管が気体で満たされるこの現象を、キャビテーション(またはエンボリズム)と呼びます［3］。

木が高くなるほど、重力と、水が通る道の長さによる抵抗のせいで、葉にかかる水ストレスが増し、光合成が制限されます。論文は、これが木の高さを限る要因になりうると述べています［4］。

2004年の論文が研究対象とした、当時知られていた最も高い木は、高さ112.7mのセコイアです。この木の研究から、木が折れるなどの損傷がなければ、樹高の限界は122〜130mと推定されています［4］。80mの木に水が届くことと、その先に限りがあることは、同じしくみの両面と考えられます。

つまり、木は水を押し上げる装置を持たないまま、葉の蒸散の引っぱりだけで、100mを超える高さにまで水を届けています。その限界を決めているのも、引っぱりで水を運ぶしくみ自体だと見られています。

水柱に強い張力がかかると、樹液中に気泡が突然生じ、道管や仮道管が気体で満たされることがある。これがキャビテーションで、エンボリズムとも呼ばれる［3］。凝集力-張力説が成り立つのは、水柱が連続しているあいだだけである。

Nature誌の論文は、2004年当時に知られていた最も高い木であるセコイア(112.7m)の研究から、機械的損傷がなければ樹高の最大値は122〜130mと推定した［4］。木が高くなると、重力と水の移動距離による抵抗のために葉の水ストレスが増し、光合成が制限されることが、その背景にある［4］。

すなわち、樹高の上限は、引っぱりで水を運ぶ方式そのものから出てくる限界とされている。なお、師部では光合成でつくられた糖が師管細胞に運ばれる。これは代謝エネルギーを使う能動的な過程で、水を運ぶ木部とは役割がちがう［6］。

きょう できる こと

おうちの かたと いっしょに、植物の えださきを 2つ えらびます。1つは 葉の ある えだ、もう 1つは 葉を とった えだです。どちらにも すきとおった ふくろを かぶせ、口は ひもで ゆるく とめます。強い 日ざしの 時間は さけて、数時間 たって から、ふくろを はずす まえに 内がわを 見くらべます。葉の ある ほうだけ 水の つぶが つくか、たしかめます。

ほかの 人の 木や、公園の 木は、えだを おらず、かならず 持ち主や おとなの 許可きょかを とって からにします。

ビニール袋で試す

植物の枝先を2つ選び、片方は葉をつけたまま、もう片方は葉を取って、それぞれ透明なビニール袋をかぶせ、口をゆるくひもで留めます。強い日差しの時間は避け、数時間後に袋を外す前に、内側を見比べます。葉のある袋にだけ水滴がつけば、葉から出た水が袋の中にたまったと考えられます。結果は天気や葉の種類によって変わります。

他人の庭木や公園の木に試すときは、枝を折らないようにし、持ち主や管理者の許可を取ってください。

資料を読むなら

日本植物生理学会の解説［1］と、神戸大学の資料［3］は日本語で読めます。樹高の限界に関する論文［4］は英語ですが、背の高い木の水ストレスの研究を知る入り口になります。

手で確かめる

葉のある枝先と葉を取った枝先に、それぞれ透明なビニール袋をかぶせ、口をゆるく留める。強い日差しの時間は避け、数時間後に袋を外す前に内側を比べる。葉のある袋にだけ水滴が見えれば、蒸散した水が袋の中で凝結したと読める。袋内の空気の冷えも関わるため、対照の袋と比べることが要る。結果は気温・光・葉の種類で変わる。他人の木では許可を取り、枝を折らない。

資料を読むなら

蒸散と負圧、80mの記述は［1］、水素結合と張力下の液体の水は［2］、道管の太さとキャビテーションは［3］、樹高の限界は［4］、気孔の輸送因子は［5］、根圧と師部は［6］・［7］、気孔の開閉は［8］、乾燥地の植物の蒸散は［9］にある。気孔の開閉と蒸散量の関係は、原典に当たると細部まで追える。