木はなぜ100mの高さまで水を運べる？葉が引っ張る仕組みとストローとの違い【いまさら聞けない】

公園の大きな木を見上げると、てっぺんの枝先まで葉が茂っています。根は地面の下にあるのに、あんな高いところまで、どうやって水を届けているのでしょう。

根に強力なポンプがあるのでしょうか。それとも、幹が巨大なストローのようになっているのでしょうか。

水を引き上げる主役は、水の出口である「葉」です。 葉から水が蒸発すると、その奥にある水を引っ張る力が生まれます。水分子どうしは互いに引き合うため、その引っ張りが幹を通って根まで伝わります。

根から入る水と、葉から出ていく水をつないでいるのは、水そのものです。

結論：葉で生まれた引っ張る力が、根まで伝わる

全体の流れは、次の4ステップです。

1. 葉の中で水が蒸発する。
2. 蒸発する場所の小さな水面で、奥の水を引っ張る力が生まれる。
3. 水分子どうしが引き合う力で、つながった水へ引っ張りが伝わる。
4. 根から新しい水が入り、失った分が補われる。

この仕組みを「凝集張力説（ぎょうしゅうちょうりょくせつ）」といいます。「凝集」は水分子どうしが引き合うこと、「張力」は引っ張る力です。

井戸に垂らした鎖を上から引くと、その力は下のほうまで伝わります。木の中では、流れる水が、鎖のように引っ張りを伝えています。

ここからは、水を引っ張る葉、水が通る幹、水が入る根の順に見ていきましょう。

①葉：水の出口が、引っ張る力の出発点になる

葉の中で蒸発し、気孔から出ていく

葉の内部には、細胞の間に空間があります。そこに面した細胞の壁は水でぬれていて、壁のごく小さなすき間にある水面から、水が蒸発します。

水蒸気の主な出口は、葉の表面にある「気孔（きこう）」という小さな穴です。光合成に必要な二酸化炭素を取り込む場所が、水の出口にもなっています。

植物から水が水蒸気として失われることを「蒸散（じょうさん）」といいます。根や幹の中を進む間は液体の水。葉の中で蒸発すると、水蒸気になって空気中へ出ていきます。

蒸発は室温でも起こります。沸騰との違いは、洗濯物が100℃にしなくても乾く理由と、蒸発・沸騰の違いで詳しく説明しています。

くぼんだ小さな水面が、奥の水を引く

水が蒸発すると、細胞壁のすき間にある水面は奥へ引っ込み、くぼんだ形になります。

この水面には、表面を縮めようとする「表面張力」が働いています。細かなすき間で水面がくぼむと、その内側の液体の圧力が低くなり、奥の水を引っ張ります。これが、鎖の上の端を引く力に当たります。

表面張力を身近なもので考えたいときは、水滴が丸くなる理由と、表面によって広がり方が違う理由も参考になります。

蒸発に使うエネルギーは、どこから来る？

水を蒸発させるには、エネルギーが必要です。日差しや周囲から受け取る熱が、それを支えています。空気が乾いていれば、水蒸気は葉の中から外へ移りやすくなります。

葉から水が蒸発し、その場所へ次の水が引き寄せられる。木はこの流れを利用して水を運んでいます。

吸った水は、体にたまるだけではない

植物が吸い上げた水の多くは、蒸散によって再び空気中へ出ていきます。水は、体を作る材料として残るだけではありません。

この流れは、水に溶けたミネラルを根から葉へ運ぶ助けになります。また、葉で水が蒸発するときには熱を奪うため、葉を冷やす働きもあります。

木の中を通り抜けて空へ出ていく水は、途中で物質を運び、熱も運んでいるのです。

②幹：水の通路と、引っ張りを伝える「鎖」

通路は、細胞が残した壁でできている

木の中で水が通るのは「木部（もくぶ）」という組織で、材木になる部分です。中には「道管（どうかん）」や「仮道管（かどうかん）」と呼ばれる細かな通路が多数並んでいます。

水を運ぶ細胞は、成熟すると中身を失い、丈夫な壁を残します。 その壁に囲まれた空間が、水の通り道になるのです。

生きた細胞がバケツリレーのように水を渡すのではなく、細胞が作った通路を水が流れます。根から幹、枝、葉脈へと続く水の道は、こうしてできています。

水を運ぶのは、幹の外側の「辺材」

幹の中心に「心材（しんざい）」と呼ばれる部分を持つ木では、水を運ぶ役割を担っているのは、その外側にある「辺材（へんざい）」です。

大きな幹を見ると、中心に太いホースが一本入っていそうですが、実際には外側の多数の細かな通路が水を運んでいます。

中心が腐って空洞になった古木でも、外側の水の通り道が働いていれば、葉へ水を届けられます。中が空っぽなのに葉が茂っている木があるのは、こうした構造によるものです。

水分子どうしが引き合い、力を伝える

水分子どうしには、互いに引き合う「凝集力（ぎょうしゅうりょく）」があります。水で満たされた通路では、この力によって葉の側の引っ張りが根まで伝わります。

幹は、ただの空のパイプではありません。中を流れる水そのものが、引っ張りを伝える鎖の役目も担っています。

気泡が広がると、流れが妨げられる

鎖は、途中が切れると、その先に引っ張りを伝えられなくなります。水の通り道でも、液体がつながっていることが重要です。

通路の中に気泡が広がると、液体のつながりが途切れ、その部分の水輸送が妨げられます。気体が通路をふさいだ状態は「エンボリズム（塞栓・そくせん）」と呼ばれます。

通路は多数あるので、一部が働けなくなっても、ほかの通路で水を運べます。しかし、乾燥などで障害が広がると、葉へ届けられる水が減り、木にとって深刻な問題になります。

③根：土の水を集める入口

根は土から水を取り込み、木部へ渡します。細い根や根毛が土と触れる面積を広げ、水の取り込みには根の細胞の膜を通る移動も関わっています。

では、根にポンプのような働きはないのでしょうか。

植物によっては、根の側から水を押す「根圧（こんあつ）」も働きます。根圧で押された水が葉の縁などから水滴となって出る現象が、「溢液（いつえき）」です。空気中の水蒸気が冷えてつく露とは、水の出どころが違います。

根圧だけでは、高木のてっぺんまで水を運ぶ仕組みを説明できません。蒸散が盛んな高木の水運びを支える主役は、葉の側で生まれる引っ張りです。

ストローは約10mが限界。なぜ木はそれより高く運べる？

ストローで飲むときは、口につながる側の空気の圧力を下げます。コップの水面にかかる大気圧との圧力差で、水が上がります。基本の仕組みは、ストローで飲める理由と、穴があると飲みにくくなる仕組みで説明しています。

このように上側の空気を抜く方法では、1気圧のもとで水を支えられる高さは、理想的な条件でも約10mです。人が実際に吸える高さは、さらに低くなります。

それなのに、100mを超える木にも葉があります。違いは、空気の圧力を下げることと、液体の水に引っ張りを伝えることにあります。

気体の圧力は、完全な真空を基準にするとゼロより低くできません。一方、水で満たされた通り道の液体は、水分子どうしの引き合いによって、引っ張られた状態に耐えられます。真空を基準にしても圧力がゼロを下回る「負圧」の状態です。

木は、幹の空気を吸い出す代わりに、葉の水面から液体へ張力を伝えます。この違いによって、通常のストローの約10mを超えて水を運べます。

100mの高さなら、水の重さだけで約10気圧分

どれほどの圧力差が必要なのか、水の柱を支える単純な計算で考えてみましょう。

• 高さ10mの水柱：上下に約0.1MPa、約1気圧分の圧力差
• 高さ100mの水柱：上下に約1MPa、約10気圧分の圧力差

これは水の重さを支える分だけの計算です。実際に水を流すには、細かな通路で生じる抵抗に打ち勝つ圧力差も必要になります。高い葉まで水を届けるには、それだけ大きな引っ張りが求められるのです。

「細い管だから毛細管現象で上がる」は、どこまで正しい？

キッチンペーパーの端を水につけると、直接触れていない部分までじわじわとぬれていきます。水になじむ細かなすき間へ水が進む、毛細管現象です。

では、幹の細い管だけで、どこまで水を上げられるのでしょう。

内径0.02mmの管でも、毛細管現象で支えられる水の高さは約1.5m。100mを支えるには、内径約0.0003mm、つまり約0.3マイクロメートルの細さが必要です。

これは、20℃の水を、内壁が完全にぬれる真っすぐな円管に入れたときの計算です。水面の力と水の重さがつり合う高さを求めています。実際の樹液の到達高さを測った値ではありません。

研究者による樹木の構造解説では、針葉樹の仮道管は直径20〜30マイクロメートル程度。広葉樹には、直径約0.3mmの太い道管を持つものもあります。こうした幹の通路の太さでは、管の中の毛細管現象だけで、高木への水輸送を説明できません。

そこで重要になるのが、葉の細胞壁にある、幹の通路よりずっと微細なすき間です。そこで水面がくぼみ、表面張力による強い引っ張りを生みます。さらに水が蒸発することで、後ろから次の水が補われます。

幹の管が水を運び、葉の小さな水面がそれを引く。水面に働く力と、水が蒸発して失われる働き。この二つが組み合わさって、木の中に水の流れを作っています。

細い通り道ほど高く水を支えられる理由は、紙が水を吸う毛細管現象で詳しく説明しています。

根のない切り花が水を吸える理由と、「水切り」の意味

花瓶にさした切り花には、根がありません。それでも切り口から水を吸って、しばらく葉や花を保ちます。

葉などから失われる水を、切り口から補えるためです。日本植物生理学会にも、根を切り取った豆苗が色水を吸い上げた観察についての解説があります。根の押し上げる力がなくても吸水できる、身近な例といえます。

水の中で切ると、空気が入りにくい

花を生けるとき、茎を水の中で切り直す「水切り」をすることがあります。これも、水の通り道と関係しています。

茎の中の水が引っ張られている状態で空気中で切ると、切り口から通路へ空気が入り、吸水を妨げることがあります。水の中で切り直す方法は、切り口を空気にさらさず、新しい切り口から水を取り込めるようにする工夫です。

家庭では、清潔な水とよく切れるハサミを用意し、茎の先を水中で少し切り戻します。農林水産省も、切り花の吸水を助ける方法として水切りを紹介しています。

元気なカーネーションやカスミソウなら、空気中で切ってから水につける方法も紹介されています。花に合う方法で、吸水できる切り口を整えることが大切です。

水の清潔さも、通り道を守るポイントです。細菌が増えて通路が詰まると吸水を妨げるため、花瓶を洗い、水を清潔に保つことが長持ちにつながります。

人工の木でも、蒸発による水の上昇を確かめている

2020年の研究では、細かな孔を持つセラミックの円盤に19本の管をつないだ、人工の木が作られました。円盤が葉、管が水の通り道、下の水槽が水の供給源に当たります。

装置をあらかじめ水で満たすと、円盤を水槽の水面から3mを超える高さに置いても、水が管を上がり、蒸発に伴う流れが続きました。

蒸発する小さな水面と、水でつながった通路。この組み合わせで、機械式ポンプを使わずに水を上へ運ぶ流れを作れることを示した実験です。

乾燥した日ほど、水をたくさん吸える？

蒸発するほど水が引き上げられるなら、乾燥した日は木にとって好都合に思えます。

ところが、土からの補給が追いつかなければ、木は水を失っていきます。強い引っ張りのもとで通路に気泡が広がる危険も高まります。

そこで木は、気孔を閉じる方向へ調節し、水の出口を絞ります。理化学研究所がシロイヌナズナという植物で行った研究でも、気孔が閉じにくい変異体は水を失いやすく、水を与えない条件で通常の植物より先にしおれることが示されています。

気孔は二酸化炭素の入口でもあるため、開け閉めには両面があります。

• 開く：光合成に必要な二酸化炭素を取り込みやすい一方、水も失う。
• 閉じる：水を節約できる一方、二酸化炭素の取り込みが制限される。

木は、この「水」と「光合成」のバランスを取りながら、気孔を調節しているのです。

木の高さにも、水を届ける難しさが関わる

木が高くなると、水は重力に逆らってより長い道のりを進むため、てっぺんの葉ほど水を届ける条件は厳しくなります。

2004年の研究では、カリフォルニアのレッドウッドを調査しました。対象には、当時112.7mだった木も含まれています。

研究者たちは、高い場所の葉ほど水を得にくくなることに注目しました。重力や流れの抵抗が、葉の成長や光合成を制限するという関係を調べ、折損などの損傷がなければ、これらの木が到達できる高さは122〜130mと推定しています。

土の水が豊富でも、高い葉まで届けるには別の難しさがあります。木の高さを考えるとき、水の通り道は重要な手がかりになるのです。

まとめ：葉・幹・根をつなぐのは、水そのもの

• 葉では、水の蒸発に伴って引っ張りが生まれる。
• 幹では、水分子どうしの凝集力が、つながった液体へ引っ張りを伝える。
• 根からは、新しい水が入って流れを補う。
• ストローは空気の圧力差を使うが、木はつながった液体の水を引っ張るため、約10mの壁を超えられる。
• 水の通り道に気泡が広がると、輸送が妨げられる。

出口である葉の働きが、地面の中の根へとつながっています。木はこの仕組みによって、高い枝先まで水を届けています。

次に大きな木を見上げたら、葉の一枚一枚から、目に見えない水蒸気が出ていく様子を想像してみてください。その出口まで、地面から続く水の流れがあります。

参考資料

樹木の組織と水分通導についての研究者解説
https://www2.kobe-u.ac.jp/~kurodak/structure%26sap_files/structure%26sap.html

植物の吸水・輸送を解説したNature Educationの記事
https://www.nature.com/scitable/knowledge/library/water-uptake-and-transport-in-vascular-plants-103016037/

植物の水輸送を整理したVenturasらの総説（2017年）
https://sperry.biology.utah.edu/publications/Venturas_et_al_2017_JIPB.pdf

森林総合研究所「木の高さまで水を吸い上げられる？」
https://www.ffpri.go.jp/snap/2016/1-kitomizu.html

日本植物生理学会の解説
https://jspp.org/hiroba/q_and_a/detail.html?id=0656

東京薬科大学「植物の水の出口は気孔だけ？」
https://www.toyaku.ac.jp/lifescience/departments/applife/knowledge/article-034.html

豆苗の吸水実験について
https://jspp.org/hiroba/q_and_a/detail.html?id=2723

Shiら「Passive water ascent in a tall, scalable synthetic tree」（2020年）
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6959229/

理化学研究所の研究発表
https://www.riken.jp/press/2011/20110622/index.html

Kochら「The limits to tree height」（2004年、抄録）
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15103376/

OpenStax『College Physics 2e』11.4：水の重さと圧力の関係（10m・100mの水柱の計算に参照）
https://openstax.org/books/college-physics-2e/pages/11-4-variation-of-pressure-with-depth-in-a-fluid

OpenStax『College Physics 2e』11.8：表面張力と毛細管現象（円管で支えられる高さを計算。20℃の水、表面張力0.0728N/m、密度約1000kg/m³、重力加速度9.8m/s²、接触角0°）
https://openstax.org/books/college-physics-2e/pages/11-8-cohesion-and-adhesion-in-liquids-surface-tension-and-capillary-action

植物の茎の切断時に入る空気と、水中切断法の研究（抄録）
https://ishs.org/ishs-article/113_24/

日本植物生理学会「バラの切花について」
https://jspp.org/hiroba/q_and_a/detail.html?id=1673

農林水産省「はじめよう、花のある暮らし」（水切りと花に応じた扱い方）
https://www.maff.go.jp/j/pr/aff/2106/spe1_04.html

Maurelら「Aquaporins and plant transpiration」（2016年、総説）（蒸散による冷却とミネラル輸送）
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pce.12814

OpenStax『Biology 2e』30.5：植物の水と溶質の輸送（蒸散と吸水）
https://openstax.org/books/biology-2e/pages/30-5-transport-of-water-and-solutes-in-plants

米国国立公園局「Trees: the Inside Story」（心材・辺材と空洞になった木）
https://www.nps.gov/glac/learn/education/4-6-unit-six-activity-2-trees-the-inside-story.htm