מערכת הובלה מתוחכמת: מה מתרחש מתחת לשכבה החיצונית של העלה?

עלה של עץ אלון, גפן או אקליפטוס נראה מבחוץ כמשטח ירוק ודק. אך מתחת לשכבה החיצונית של העלה, בתוך רקמה שעוביה לעיתים פחות ממילימטר, עוברת מערכת הובלה מסועפת: עורק ראשי, עורקים משניים, הסתעפויות דקות ורשת של עורקים זעירים המגיעים סמוך לתאים, שבהם מתרחש תהליך הפוטוסינתזה, הפקת האנרגיה מהשמש. העורקים נושאים מים ומינרלים אל העלה, וגם נושאים בחזרה סוכרים ממנו אל שאר הצמח.

כיצד זורמים הנוזלים לאורך העלים והענפים? האם ישנה משאבה, כמו בתוך הלב שלנו? לא. ההנדסה ההידראולית של העלים בנויה בצורה אחרת, מתוחכמת מאוד. הכוח המניע נוצר דווקא בקצה הדרך: מים מתאדים מדפנות התאים הפנימיים של העלה, אדי המים יוצאים דרך נקבים זעירים, נוצר ריק ברקמות העלה, הריק יוצר ואקום, והוואקום מושך את הנוזלים והמינרלים מהשורשים כלפי מעלה.

התהליך הזה התגלה על ידי הנרי הוריישו דיקסון וג'ון ג'ולי, שני חוקרים מטריניטי קולג' בדבלין, שהציגו לעולם המדע את ההסבר השיטתי לתהליך בשנת 1894.

אך כיצד נוצרים הצינורות הפנימיים האלו? העץ מתפתח כולו מגרעין אחד. העורקים הזעירים שבתוך הצמח בנויים מתאים שהתפתחו תחילה כתאים חיים. כאשר העץ או השיח מתפתח, הם נעשים חלולים, כמו טבעת, ואז, לפי תכנית מדהימה, מיליארדי תאים חלולים, טבעות, נצמדים זה לזה בשיטתיות ויוצרים צינורות.

כדי להתמודד עם הלחץ של העץ המתפתח וגדל, או כל לחץ אחר שמופעל על עלים – בעלי חיים מטפסים, רוחות, וכדו', ובעיקר הלחץ של זרימת הנוזלים שנעשה, כאמור, בוואקום – התאים האלו צוברים בדפנותיהם שכבות של תאית וליגנין, חומרים שמספקים קשיחות. הדפנות המעובות מונעות מן הצינורות לקרוס תחת הלחץ השלילי המופעל על המים שבתוכם.

אבל איך כל זה נוצר? אף אחד לא ידע לומר במשך יותר ממאה שנים.

בשנת 2023 הראו טקמה ססאקי ועמיתיו כיצד חלבונים מסוימים, שנוצרים בכל צמח על פני האדמה, הם האחראים לבניית הצינורות המדהימים הללו. החוקרים הצליחו לפגוע בשני חלבונים, ולהראות שכאשר חלבונים אלו נפגעים, הצינורות לא נוצרים. "מישהו" כתב תכנית אדריכלית הידראולית, קודד אותה בתוך שני חלבונים ספציפיים, ודאג שהם יהיו חלק מכל גרעין של צמח עלי אדמות!

אך האם באמת בגוף הצמח ישנם צינורות פתוחים מלמעלה עד למטה? לא ולא. מצב כזה היה גורם לזרימת נוזלים בלתי מבוקרת. בכל הסתעפות ישנו קרום מיוחד המכונה "קרום גומה", שדומה קצת ל"אל חזור" שנמצא בשימוש באינסטלציה מודרנית. מים יכולים לעבור דרך קרום זה, אבל לא אוויר. הקרום יוצר התנגדות למים, ומאפשר למים לעבור רק כשהם מגיעים בלחץ של ואקום. כמו כן הוא מונע גם מעבר של גזים שנמצאים בחלקים שונים של הצמח. לפיכך הקרום הוא בעת ובעונה אחת מסנן הידראולי, מחסום גז ונקודת התנגדות לזרימת המים.

כאשר הקרקע מתייבשת, או כאשר האוויר חם ויבש, קצב איבוד המים מן העלה עולה. הלחץ בעורקים שבתוך העלה נעשה שלילי יותר, ועמודת המים מתקרבת לסף שבו אוויר יכול לחדור דרך קרום גומה מצינור סמוך. תהליך כניסת האוויר מכונה "זריעת אוויר". הצינור מתמלא גז ומאבד חלק גדול מיכולתו להוליך מים. זה דומה למצב של התקף לב אנושי. הצמח נמצא בסכנת התייבשות ומוות. מצב כזה עשוי ליצור תנודה מכנית כתוצאה מהלחץ בתוך העורקים, וניתן לקלוט תנודה כזו כאות על קולי, מה שמזכיר את דברי חז"ל שכשעץ נקטע קולו הולך מסוף העולם ועד סופו.

כאשר עלה אחד עובר התקף כזה, בסופו של דבר הוא מתייבש ונושר, כפי שאנו רואים בעצים רבים, כשחלק מהעלים התייבשו. הבעיה של העץ מתחילה כאשר מחמת חיסרון במים יש יותר מדי מקטעים יבשים, והם מסכנים את המערכת כולה.

בשנת 2016 פרסמו שלשה חוקרים (טימותי ברודריב, רוברט סקלטון, סקוט מקאדם ועמיתיהם) תיעוד של תהליך "התקף" בעלים. הם הצמידו עלים למצלמה או לסורק, וצילמו אותם ברצף בשעה שהתייבשו. כאשר נוצר תסחיף, השתנה מקדם שבירת האור באזור, והמחשב יכול היה לסמן את המקום ואת זמן האירוע. כך נוצרו מפות צבעוניות של הכשל ההידראולי, עורק אחר עורק.

אחרי שהתהליך מופה והובן, הצליח החוקר בשן לורן סאק לעשות לעץ "ניתוח מעקפים". הם חסמו בצורה מבוקרת עורקים גדולים, והובילו לאט לאט את הנוזלים דרך עורקים קטנים חילופיים. העץ מתוכנן כך שיש לו היכולת, במקרי חירום, להעביר את הנוזלים דרך העורקים החילופיים, אף על פי שביום יום יעיל פחות להסתמך עליהם, שכן הם איטיים יותר ויעילים פחות. העורקים הקטנים הם כמו מערכת גיבוי שיכולה להציל באופן חלקי את העץ במקרה של התקף, עד שיגיעו המים המיוחלים דרך גשם או דרך השקיה.

בשנת 2017 חשף החוקר הישראלי אורי הוכברג מהמכון הוולקני, כי ייבוש וניתוק של עלים מהצמח הוא טכניקת הישרדות של הצמח. הצמח מזהה מראש מקומות שבהם יכול להיווצר תסחיף, מצב שמכניס אוויר או גז לתוך הצינורות הפנימיים ומסכן את הצמח כולו, ולכן הוא מנתק לעלים כאלו את מקורות המים והמינרלים, וגורם להם להתייבש ולנשור. את המנגנון המתוחכם הזה הוא כינה "נתיך הידראולי", על שם הנתיכים בארון החשמל שלנו, שכאשר הם מזהים קצר, הם "מקפיצים" את החשמל ומנתקים אותו, כדי שלא ייגרם נזק למערכת כולה או לבני אדם המתעסקים איתה.

אבל הצמח אינו ממהר להיפרד מהעלים היפים שלו. את זה הוא עושה רק במקרה חירום, כי יש לו אמצעי התגוננות קודמים. עוד לפני שמופיעות בועות אוויר בעורקים, הצמח יכול להקטין את איבוד המים. בכל מילימטר מרובע של עלה עשויות להימצא פיוניות רבות. הפיוניות הן פתחים זעירים שנשלטים בידי זוג תאי שמירה. כאשר מים זמינים, הפיוניות נפתחות, פחמן דו-חמצני נכנס אל העלה ואדי מים יוצאים ממנו. בעת יובש משתנים הלחץ בתאי השמירה והאותות ההורמונליים, והפיוניות נסגרות. מחקרים הראו כי הצמח סוגר את הפיוניות במקרי מצוקה כדי לשמור על "משמעת מים", ולא לגרום לייבוש של חלקים ממנו.