Træer sender sukker fra krone til rod ved hjælp af osmose, drevet af forskellen mellem sukkerindholdet i væsken. Foto: Colourbox

Træers pumpesystem kan drive fremtidens robotter

tirsdag 04 jul 17

Kontakt

Kaare Hartvig Jensen
Lektor
DTU Fysik
45 25 27 49

Træers transport af vand og næring

Forskerne har udviklet en chip, der efterligner den måde, træer transporterer væske rundt på. I træernes såkaldte vedvæv (blå pil) trækkes vand op til bladene, fordi der i disse sker en fordampning. Ved hjælp af fotosyntese producerer bladene sukkerstoffer (røde prikker). Herfra diffunderer de ud til en anden type væv, sivævet (rød pil). Det høje sukkerindhold betyder, at der trækkes rent vand fra vedvædet ind i sivævet. Herfra pumpes sukkerstofferne ved hjælp af osmose videre ud i træet til rødder og evt. frugter. Transporten af sukkerstoffer bliver drevet af sukkerstofferne selv. Trykket i chippen kan nå op på ti atmosfære, som er rigeligt til at transportere vand og næringsstoffer rundt i selv store træer.
Forskere har udviklet en chip, som kan kopiere træers måde at transportere vand og næringsstoffer på. Den viden kan på sigt anvendes til små robotter eller i cellefabrikker.

Ligesom mennesker har arterier og vener, der bringer blodet fra hjertet ud i vævet og tilbage igen, har planter to typer væv, der kan transportere vand op til bladene og næringsstoffer ned til roden. Men planter har ikke som mennesket en muskel, der pumper, og derfor må der andre fysiske principper i spil for at få samme effekt. Sammen med forskere fra MIT og Cornell University har lektor Kaare Hartvig Jensen fra DTU Fysik i tidsskriftet Nature Plants beskrevet en ny model, som forklarer, hvor de store kræfter, det kræver at transportere sukkersaft i et træ, kommer fra.

Træerne driver i deres blade fotosyntese, hvor sollys ved hjælp af CO2 fra luften og vand fra rødderne laver de sukkerstoffer, der er træets næring. Affaldsproduktet er den ilt, vi mennesker indånder. Efter fotosyntesen skal stofferne transporteres videre rundt i karsystemet. Små planter har små membranpumper i cellerne, som bruger energi på at pumpe sukkeret ind i vævet.

"Men dem har træer ikke, og de burde egentlig på grund af deres størrelse have brug for pumper, der kunne skabe et meget højt tryk," siger Kaare Hartvig Jensen.

For at forklare det har forskerne fremstillet en chip, hvor de kopierer træets ’pumpemekanisme’, der er en rent fysisk proces, nemlig diffusion.

Træer gør noget andet end mindre planter

"Når man er meget stor, skal man have et stort tryk. Men træer gør ikke som små planter og har altså ikke de her membranpumper. Så det er meget mærkeligt," siger Kaare Hartvig Jensen og fortæller, at man ikke tidligere har kunnet påvise træers pumpemekanisme i laboratoriet.

Men indtænker man diffusion, altså spredning af molekyler fra høj til lav koncentration mellem celler gennem små nanokanaler, som andre tidligere har foreslået, har man en meget afgørende komponent i systemet. Og så giver det pludselig mening. Tilfører man sukker til chippen, kan den have en jævn transport af væske over timer eller dage.

Sådan kan træerne ved hjælp af osmose (vands diffusion gennem en membran, red.) hvor det alene er forskellen mellem sukkerindholdet i væsken, der driver transporten, sende sukkersaft fra kronen til roden.

Transporten af sukkerstoffer bliver på den måde drevet af sukkerstofferne selv. Forskerne fandt derudover ud af at trykket i chippen kunne komme op på ti atmosfære (svarer til 100 meter under vandoverfladen), som er rigeligt - selv for store træer.

Ny viden, ny teknologi

Så langt så godt. Men er man ingeniør, så stopper arbejdet jo ikke her. For en chip, der kan skabe op til ti atmosfæres tryk, og som stabilt over timer og dage kan transportere væske uden pumper og elektronik af nogen art, er jo også interessant som teknologi.

"I princippet kan man forestille sig, at en robot kan køre på det. Man kan selvfølgelig ikke køre en stor maskine på det. Men i ’bløde’ robotter, der er lavet af bløde materialer og kan udføre finmotoriske opgaver, kan det sagtens fungere," siger Kaare Hartvig Jensen og fortsætter:

"En anden anvendelse, der er oplagt, er til cellefabrikker. For en plante er i virkeligheden bare en masse bioreaktorer, der producerer sukkerstof og eksporterer det i meget ren form. Og det er i princippet det samme, vi gerne vil have i cellefabrikker. Så man kan sagtens forestille sig, at når en cellefabrik har produceret et kemisk stof, så bruger man en chip, der ligner vores, til at ekstrahere det efter samme strategi som planterne bruger."

Forskningen er støttet af Villum Fonden.

Relaterede Videoer  

Vis flere