Come sale l’acqua nelle piante fino in cima agli alberi?

Un albero fa ogni giorno una cosa che nessuna pompa aspirante riesce a fare: porta l’acqua a cento metri d’altezza, senza motore, senza rumore e senza spendere un centesimo. Come sale l’acqua nelle piante, soprattutto in quelle alte come palazzi? Sembra una domanda da scuola elementare, ma alla fine dell’Ottocento ha fatto litigare i botanici, è stata risolta grazie ad alberi che continuavano a bere dopo che gli avevano ucciso il tronco, e riserva ancora sorprese: gli alberi fanno rumori che non sentiamo, soffrono di qualcosa che somiglia a una trombosi e hanno un limite di altezza che si può calcolare.

Perché succhiare non basta

La prima cosa che viene in mente è che l’albero succhi l’acqua come noi con la cannuccia. Il problema è che succhiare ha un limite. Secondo il dipartimento di Botanica del Trinity College di Dublino, una pompa aspirante meccanica riesce a sollevare l’acqua solo di circa 10 metri. Più su, per quanto aspiri, l’acqua non sale.

Proprio questo limite rendeva scettici i fisiologi dell’Ottocento. Se una pompa si ferma a 10 metri, come potrebbe una foglia tirare su acqua da 50, 80 o 100 metri più in basso? La spiegazione più accettata allora era un’altra: cellule vive del legno spingevano l’acqua verso l’alto consumando energia, come una catena di piccole pompe lungo il tronco.

L’albero morto che continuava a bere

Questa teoria delle pompe vive aveva un problema, e veniva dagli esperimenti di un botanico di nome Strasburger. Secondo il Trinity College, nel 1892 due scienziati di Dublino, Henry Dixon e John Joly, videro di persona quegli esperimenti durante un viaggio nel continente, che mostravano una cosa sconcertante: gli alberi continuavano a far salire l’acqua anche dopo che il loro tronco era stato ucciso.

Se le cellule del tronco erano morte e l’acqua saliva lo stesso, non potevano essere loro a spingerla. Serviva un’altra spiegazione, una che funzionasse senza niente di vivo in mezzo. Dixon e Joly si misero a cercarla.

Come sale l’acqua nelle piante: una corda d’acqua

La risposta che proposero nel 1895, in un articolo intitolato On the Ascent of Sap, “Sull’ascesa della linfa”, pubblicato dalla Royal Society britannica, ribalta la prospettiva. Niente spinge l’acqua dal basso. È l’evaporazione a tirarla dall’alto.

Funziona così. Le foglie hanno dei pori da cui il vapore acqueo scappa nell’aria, soprattutto con il sole e il caldo. Ogni molecola d’acqua che evapora lascia un vuoto che un’altra deve riempire, e quest’altra tira la successiva, e così via fino alle radici. Il Trinity College la descrive come un risucchio che si trasmette verso il basso attraverso colonne d’acqua continue dentro lo xilema, i condotti sottilissimi del legno.

A rendere possibile il trucco è una proprietà dell’acqua che a occhio nudo non si vede: le sue molecole si attraggono molto tra loro. È la coesione. Grazie a lei, una colonna d’acqua si comporta come una corda: tiri un’estremità e viene su tutta. Ed è una corda sorprendentemente robusta. Secondo il Trinity College, quelle colonne reggono senza spezzarsi risucchi di oltre 300 atmosfere, purché si trovino in tubi stretti come quelli dello xilema. In un tubo largo si romperebbero.

Per questo si chiama teoria della coesione-tensione: coesione, perché l’acqua resta unita, e tensione, perché la colonna è tesa, tirata dall’alto. La pompa aspirante sbatte contro il suo tetto dei 10 metri; l’albero invece tira una corda d’acqua che non si spezza.

Nel 1895 la teoria fu accolta con molto scetticismo. Dixon e Joly fecero una serie di esperimenti per rispondere alle critiche, Dixon la difese nel 1914 nel suo libro Transpiration and the Ascent of Sap in Plants e con il tempo si impose. Il Trinity College ricorda che i manuali di botanica la chiamano ancora “teoria della coesione di Dixon e Joly”.

La parte che quasi tutti saltano

La spiegazione della corda lascia una domanda in sospeso: se la corda si spezza appena entra una bolla, come si sono riempiti d’acqua i condotti la prima volta? Non si può tirare una corda che ancora non esiste.

Il fisico e filosofo della scienza Harvey Brown ha ripercorso la storia della teoria nel 2013, sulla rivista Physics in Perspective, e indica proprio questo. Fin dalla nascita della teoria, i botanici sanno che servono altri processi per “innescare” l’albero, e il principale è per loro così ovvio che spesso viene omesso dal racconto: la crescita stessa. L’albero non deve mai far salire l’acqua in un tubo vuoto di cento metri. I suoi condotti si formano e si riempiono man mano che cresce, centimetro dopo centimetro. La corda si intreccia mentre la si tira. Brown aggiunge che altri fattori dipendono molto dal tipo di albero.

Una quercia che suda 151.000 litri l’anno

La cosa più impressionante è quanta acqua muove questo sistema. Quasi tutta l’acqua che sale in un albero non ci resta: evapora dalle foglie. Secondo la scuola di scienze dell’acqua dello US Geological Survey, una grande quercia può traspirare circa 151.000 litri d’acqua l’anno. L’ente gallese per le risorse naturali usa la stessa cifra nei suoi materiali didattici. Spalmato sull’anno, fa più di 400 litri al giorno in media, anche se in pratica quasi tutto si concentra nei mesi in cui l’albero ha le foglie.

Nemmeno i campi scherzano. La stessa fonte calcola che un campo di mais di un ettaro può restituire all’aria, in un solo giorno, nell’ordine dei 28.000-37.000 litri d’acqua.

Tutta questa portata passa per tubi sottilissimi, senza un solo pezzo in movimento. E a far girare la macchina è il sole: il suo calore fa evaporare l’acqua dalle foglie e avvia la trazione.

Bolle che spezzano la corda

Una corda tesa ha un punto debole, e nell’albero si chiama cavitazione. Se la tensione diventa troppo forte, per esempio durante una siccità, nella colonna d’acqua può comparire una bolla di gas. La colonna si spezza, il condotto si svuota e smette di trasportare acqua.

Il laboratorio di fisica e fisiologia dell’albero dell’INRAE, l’istituto francese di ricerca per l’agricoltura, l’alimentazione e l’ambiente, a Clermont-Ferrand, lo paragona a una cosa che può succedere a noi: quell’embolia gassosa blocca il sistema di conduzione dell’albero come una trombosi può bloccare la circolazione di una persona. E peggiora con la siccità. Lo stesso gruppo ha messo a punto un apparecchio che, centrifugando dei campioni, riproduce in pochi minuti gli effetti di una siccità sui condotti. Con questo strumento ha visto che la resistenza alla cavitazione cambia moltissimo da una specie all’altra.

C’è un dettaglio che sembra fantascienza. Quando un condotto cavita, fa rumore. Uno studio del 2015 firmato, tra gli altri, da Hervé Cochard dell’INRAE analizza le emissioni acustiche a ultrasuoni delle piante legnose e il loro legame con la cavitazione durante i cicli di gelo e disgelo. Sono clic che l’orecchio umano non coglie, ma che i sensori registrano.

Perché non esistono alberi di 200 metri

Se la corda d’acqua funziona così bene, perché gli alberi non crescono all’infinito? Nel 2004 il ricercatore George Koch, della Northern Arizona University, e il suo gruppo hanno pubblicato su Nature uno studio sulle sequoie costiere delle foreste umide della California settentrionale, dove si trovava l’albero più alto conosciuto allora: 112,7 metri.

Hanno studiato come cambiano le foglie con l’altezza. In basso sono larghe e distanziate; in alto, piccole e fitte. Anche la lunghezza delle foglie e l’angolo tra la foglia e il rametto diminuiscono salendo. In cima, la gravità e la lunghezza del percorso rendono più difficile l’arrivo dell’acqua, le foglie subiscono più stress idrico e fanno meno fotosintesi. Estrapolando questi cambiamenti, il gruppo ha calcolato un’altezza massima tra i 122 e i 130 metri, salvo danni meccanici prima. Gli autori fanno notare che il valore coincide con gli alberi più alti mai registrati in passato. E concludono che lo stress idrico crescente delle foglie, dovuto alla gravità e alla resistenza del lungo percorso, potrebbe alla fine frenare la crescita delle foglie e la fotosintesi al punto da fermare l’albero. Sopra quel tetto, la corda d’acqua non basta più a nutrire foglie degne di questo nome.

La nota che Nature pubblicò sullo studio aggiungeva un dettaglio: quelle sequoie hanno circa 2.000 anni, quindi siccità o fulmini del passato possono averne frenato la crescita.

La camera di vetro che scoppiò

Misurare la tensione dell’acqua dentro un ramo non è facile, e a Dixon costò uno spavento. Secondo il Trinity College, nel 1922 stava provando una camera a pressione di vetro e la teneva d’occhio attraverso uno specchio. Nel riflesso vide le pareti cominciare a gonfiarsi, e l’apparecchio esplose. L’idea era buona, il materiale no. Nel 1965 Scholander e i suoi colleghi costruirono lo stesso tipo di strumento in metallo.