Architettura idraulica

In Fisiologia vegetale per architettura idraulica, riferito a un organismo vegetale, si intende tutto il sistema di conduzione dell'acqua, che convenzionalmente inizia dalla radice per giungere alle foglie, formato dalle condutture xilematiche. L'architettura idraulica di una pianta, in altre parole, permette al fluido estratto dal terreno, per mezzo delle radici, di risalire lungo il fusto per arrivare alle foglie da dove, generalmente, è disperso in aria mediante la traspirazione.

Attraverso i sistemi xilematici che formano, l'acqua è libera di arrivare nei tessuti vegetali che, data la natura biologica, necessitano di acqua sia per la loro crescita, sia per il mantenimento dell'omeostasi cellulare, sia per mantenere un ambiente fisiologico compatibile alla vita, in ragione del complesso sistema biochimico che prevede un gran numero di reazioni catalizzate da enzimi idrosolubili.

Attraverso tre osservazioni, condotte a partire dal naturalista Leonardo da Vinci nel XVI secolo, è possibile ripercorrere sia la storia, sia la fisiologia dell'architettura idraulica.

Relazione tra diametro del tronco e somma del diametro dei rami

Il naturalista, e artista, Leonardo da Vinci fu il primo a osservare che esiste una correlazione matematica tra la somma dei diametri dei rami e il diametro del tronco dal quale essi originano. Questa considerazione, di fatto, servì da base per le successive analisi riguardanti il sistema "meccanico" di trasporto dell'acqua negli organismi vegetali.

Osservazione di Leonardo Da Vinci

Osservazione di Leonardo da Vinci

La mirabile intuizione di Leonardo, tuttavia, non conduceva direttamente al concetto di efficienza di conduzione dell'acqua giacché le sezioni di del tronco e dei rami non sono del tutto formate da elementi conduttori, ma da altri tipi di tessuto.

Valore di Huber

I limiti dell'osservazione di Leonardo furono analizzati e superati, nel 1928, da Huber che propose una equazione che calcolava il cosiddetto valore di Huber.

Valore di Huber = Ax / LWF

Per iniziare, Huber calcolò l'area di una sezione di albero semplicemente calcolando la sezione a due altezze differenti. L'equazione di Huber mette in correlazione l'area xilematica (Ax) in rapporto alla superficie fogliare totale (LWF) servita dall'area analizzata. Attraverso il calcolo del valore di Huber, è facilmente osservabile che differenti sezioni dell'organismo vegetale sono riforniti in modo differente dall'acqua.

Una prima limitazione del calcolo di Huber è relativa al fatto che l'area calcolata, sebbene rapportata alla superficie fogliare, non contiene esclusivamente elementi conduttori e pertanto tende a sovrastimare l'effettiva portata idrica della sezione analizzata. Per questa ragione, Huber operò una correzione cercando di calcolare l'area xilematica. Anche questo aggiustamento, tuttavia, sovrastimava la reale portata poiché non teneva conto della condizone meccanica dei vasi di trasporto che, ad esempio, potevano essere senescenti oppure non totalmente funzionanti.

Legge di Hagen-Poiseuille

La legge di Hagen-Poiseuille mette in diretta correlazione il diametro dei vasi, il gradiente di pressione contro la lunghezza del vaso e la viscosità del fluido che in esso scorre. Mediante gli strumenti automatizzati, a oggi disponibili nei laboratori di Fisiologia Vegetale e di Botanica, è possibile determinare che la legge di Hagen-Poiseuille, pur sovrastimando anch'essa, è il metodo che più si avvicina alla portata totale e alla relativa efficienza del sistema di conduzione dell'organismo vegetale.

Equazione di Poiseuille

Equazione di Hagen-Poiseuille

L'integrazione della legge di Hagen-Poiseulle con l'equazione di Huber permette di calcolare, in modo più specifico, l'efficienza idraulica di un sistema vegetale, inglobando il valore fondamentale della superficie fogliare e il calcolo del flusso di Hagen-Poiseuille in un valore finale di Leaf Specificity conductivity (LSF).

Disomogeneità del trasporto

Anche con il calcolo del valore LSF, tuttavia, è impossibile stabilire con certezza l'efficienza idraulica poiché in un organismo biologico esistono delle sezioni, o zone, a scarsa efficienza di trasporto. La ragione di questa cattiva efficienza è da ricercare nel fatto che le resistenze opposte dai vasi, possono variare di molto poiché i vasi stessi non sono di struttura omogenea e, ad esempio a livello dei nodi, si interrompono chiudendosi, oppure perché non esiste un singolo vaso che attraversa il corpo della pianta, ma più vasi uniti tra loro attraverso le punteggiature formate dalla parete primaria e dalla lamina mediale.

Gli elementi appena menzionati offrono una certa resistenza al passaggio dell'acqua e, per questa ragione, limitano ogni calcolo teorico che, inevitabilmente, può tendere alla sovrastima del valore effettivo di capacità di trasporto idrico.

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