东华大学武培怡/刘艳军团队新发现 →树木中反直觉的水传输过程 ...

2024-04-28 10:33:37, 化学与材料科学苏州纽迈分析仪器股份有限公司

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如果你把一桶水提到很高的楼上，就必须花费很大的力气。奇怪的是，树木却能轻松地将土壤中的水分输送到百米高的树冠。这股神秘力量来自何处？

1894年Dixon＆Joly提出的Cohesion-tension theory从宏观上回答了这个问题。这一理论以植物学中的蒸腾作用和物理学中的毛细现象为基础。蒸腾作用在叶片表皮细胞内产生低压水势，然后通过木质部导管中水柱将张力逐渐传递至根部，而根部中的毛细管从土壤中吸收水分。理论需要满足以下条件：

1）木质部导管中存在巨大负压；

2）木质部导管中存在连续水柱；

3）连续水柱在上升方向上呈现高张力梯度。

树木的真实测量结果显示，蒸腾作用使木质部导管产生的负压最大不超过-0.1MPa。那么，如此低的负压是如何让水分克服重力和摩擦阻力？此外，高蒸腾作用下木质部导管中必然会出现空穴，这会导致水柱无法保持连续。那么水分是如何实现长程连续输送？受制于当前的表征技术，我们对于水在活树中的微观状态和上升过程中的动态行为仍然所知甚少。

图1. 反直觉的水传输过程

东华大学武培怡团队刘艳军博士利用低场核磁共振技术对桉树内水分上升过程进行了原位表征分析，意外地发现了一种与直觉相反的水传输过程。与传统认知的管道输送机制不同，树木利用由分层螺旋组织形成的木质部导管壁连续向上运输水分，而木质部导管更多地起到临时储水池的作用。这种临时储水池可以有效应对由于昼夜节律或四季节律引起的水势变化。管壁中螺旋组织的纳米纤维包含致密的结晶区域和疏松的无定形区域，这两种区域呈周期性排列，形成了一种类似文丘里泵的结构。当水分沿着这种纳米纤维爬升时会产生轴向负压，使得导管壁快速、高效地从导管储水池中吸收水分。最重要的是，这种螺旋纳米纤维具有一层半无序的表面，厚度大约为5 Å，恰好可以嵌入一层水分子，形成类似于冰的固态水层。在这种冰状固态水自润滑层作用下，并结合纳米纤维螺旋结构形成的新“地平面层”，树木实现了几乎无摩擦的长距离水输送。

图2. 木质部导管壁的多尺度结构与水传输机制

利用低场核磁共振表征技术原位表征了水分在桉树中的分布和状态。T₁-T₂二维低场核磁谱图显示了木质部导管中存在两种状态的水：参与水分传输的液态水和不参与水传输的冰状固态水。其中，纳米纤维结晶区域中液态水的移动性比无定形区域中更好，接近无摩擦的理想状态。这种反常特性源于冰状单分子水层的自润滑作用。在高蒸腾作下，跟踪水分在桉树中跨尺度结构之间的传输过程。T₂-T₂二维低场核磁谱图显示了毫秒尺度下水分的传输路径包括：木质部导管 → 纳米纤维的无定形区域，木质部导管 → 纳米纤维的结晶区域，纳米纤维的结晶区域 ↔纳米纤维的无定形区域。其中，以木质部导管向无定形区域传输和无定形区域向结晶区域传输占据主导优势。这一结果证实了树木是利用由分层螺旋组织形成的木质部导管壁连续向上运输水分，而木质部导管更多地起到临时储水池的作用。

图3. 原位低场核磁表征水传输过程中的动态行为

通过制备具有不同纤维取向结构的纤维素纳米纤维凝胶微管，验证了螺旋结构对水传输的影响。在一个可以忽略界面作用的大尺寸空间中，T₁-T₂二维低场核磁谱图中水分子的自旋布居（Spin population）呈现出接近理想的圆形图案。这表明单个水分子在无取向的布朗运动中所承受的来自外界分子的压力（Molecular pressure）和张力（Molecular tension）之和接近零。在具有垂直纤维取向的纤维素纳米纤维凝胶微管中，T₁-T₂二维低场核磁谱图中水分子的自旋布居呈现出垂直于对角线的纺锤形图案。这表明单个水分子在垂直向上传输时所承受的来自外界分子的压力明显大于张力。在具有螺旋纤维取向的纤维素纳米纤维凝胶微管中，T₁-T₂二维低场核磁谱图中水分子的自旋布居呈现出平行于于对角线的纺锤形图案。这表明单个水分子在垂直向上传输时所承受的来自外界分子的张力大于压力。这些结果表明，在具有螺旋纤维的微管中水分子传输相同距离所需的能量要比在具有垂直纤维的微管中低得多。

图4. 螺旋微管的制备以及螺旋结构对于水传输的影响

研究还发现，这种木质部导管壁中的螺旋文丘里泵具有很强的自适应性。螺旋纳米纤维通过调整倾斜角度来适应由昼夜节律或四季节律引起的水势变化。当木质部导管内充满大量空腔时，导管壁上会吸附一层水膜，以及通过水膜对导管底部进行液封闭。当水势再次上涨时，这层水膜可以引导水分重新将导管填满。在受到这种螺旋文丘里泵结构的启发下，还设计了一款螺旋的水伏纤维，用于可持续能量收集。

图5. 木质部导管壁中螺旋文丘里泵的自适应性以及仿生泵设计

视频1. 树木中反直觉的水上升过程

系统阐释了二维低场核磁谱图中¹H自旋布居形态与微观尺度作用力之间的关系，并首次提出了基于自旋布居形态判定¹H移动状态的规则。这套规则对于其他非含水体系同样适用。基于低场核磁原位表征技术，揭示了树木中一种与直觉相反的水传输过程。木质部中精确设计的多尺度螺旋纤维结构确保了树中低能量、连续向上的水运动。这项研究结果为水在高大树木中的非凡上升过程提供了新的视角，揭示了自然界中高效无摩擦流体输送的巧妙设计。

以上研究成果近期以“Near-Frictionless Long-Distance Water Transport in Trees Enabled by Hierarchically Helical Molecular Pumps”为题，发表在中国化学会旗舰期刊《CCS Chemistry》上。东华大学化学与化工学院刘艳军博士为文章第一作者，武培怡教授为论文的通讯作者。

该研究工作得到了国家自然科学基金（51973035）和中国博士后科学基金（2021TQ0063）的资助与支持。

原文链接

https://pubs.chemsoc.org.cn/doi/10.31635/ccschem.024.202403903

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