水分是如何输送到数十米高树木的顶端的？
传统的活塞式水泵，其原理是利用机械运动抽出上方的空气，然后利用大气压力将水提升到所需高度。其抽水高度受大气压限制，在平原地区大约是10米。但是，树木的高度可以轻易突破10米，有些巨树甚至能将水输送到高度超过100米的叶片尖端。这是怎么做到的？要知道，这可需要克服超过10个大气压的巨大负压！
标准的回答是蒸腾作用。由于水分不断在叶片中蒸发，产生了足以拉动植物体内上百米水柱的拉力。但细究之下，其实并不那么简单。要知道，如果是其他液体的话，在如此强大负压的作用下，液柱早就该断裂乃至沸腾了。不过，水有着独特的性质，称为氢键。在液态水中，相邻水分子之间的氢键以很快的频率在不断地断开与重建。可以说在任何时刻，水分子都以氢键的形式与相邻的水分子结合在一起，这使得水分子黏着在一起形成巨大的内聚力。氢键赋予水分子的这种内聚力是水分子能够克服重力向上运输的主要原因。发表在Nature的一项研究显示，在树木导管中，水柱可以承担高达21.3兆帕（约210个大气压）的负压。
通过导管运输的水来到叶脉，最终到达叶肉细胞的细胞壁并向外蒸发。想象一下，在叶肉细胞细胞壁的水气界面上，不但面临着大气的压力，还有植物体内水柱产生的强大负压。为何叶肉细胞不会被压坏呢？这还是氢键的贡献。
氢键让水有着极高的表面张力，也就是说，水的表面很难被拉伸或者破坏。在细胞壁表面的水气界面上，水面形成一个个微型的弯月面。
这些弯月面有着收缩表面积的趋势，会产生巨大的表面张力。同时弯月面的尺度越小，表面张力就越大，恢复的趋势就越强。由于细胞壁的纤维很细，因此能够形成10纳米量级的弯月面，产生高达15兆帕（约150个大气压）的负压。
植物的水分运输
现在，我们从整株植物的角度来完整地看蒸腾作用。植物叶片的表面积是很大的，而叶肉细胞细胞壁上形成的水气界面的面积就更大了。这些水气界面表现为无数个10纳米级别的弯月面，当弯月面中的水分蒸发时，就产生了巨大的表面张力。所有弯月面形成的负压足以牵动整个导管内水分的运输。而导管内的水柱由于内聚力的作用，也足以承受强大的负压。同时，导管壁是亲水性的，与水分子之间也可以形成氢键，产生的黏附力可以帮助水分子克服重力向上运输。在蒸腾作用的过程中，根-茎-叶的水形成了一个连续的水体，而弯月面产生的负压，将水分运输到几十米甚至上百米高的树木顶端。
叶片的蒸腾作用
封面图：源自网络。
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