水ポテンシャル計算ツール - 無料の溶質と圧力ツール

水ポテンシャルとは何か？

水ポテンシャル計算機は、溶質ポテンシャル（Ψs）と圧ポテンシャル（Ψp）を加算して、植物細胞または溶液の総水ポテンシャル（Ψw）を求めます。水ポテンシャルは、水がある場所から別の場所へ移動する傾向を表します。単位は圧力の単位であるメガパスカル（MPa）で示します。

水は常に、水ポテンシャルが高い領域から低い領域へ移動します。この一つの規則で、水が植物の根に入り、茎を上昇し、葉から出ていく仕組みを説明できます。

水ポテンシャルの公式

計算機で使用する公式は次のとおりです。

Ψw = Ψs + Ψp

• Ψw：水ポテンシャル（単位はMPa）
• Ψs：溶質ポテンシャル（浸透ポテンシャルとも呼ばれます。単位はMPa）
• Ψp：圧ポテンシャル（単位はMPa）

大気圧下の純水の水ポテンシャルは0 MPaです。この値が基準点となります。溶解物質と物理的な圧力によって、この値は上下します。

水ポテンシャルの構成要素

溶質ポテンシャル（Ψs）

溶質ポテンシャルは、糖や塩などの溶けた粒子が水のエネルギーに及ぼす影響を表します。溶けた粒子は水分子を引き寄せて保持するため、水の自由エネルギーが下がります。このため、溶質ポテンシャルは常にゼロか負の値になります。薄い溶液では、値は0 MPaに近くなります。濃い溶液では、はるかに低い値になります。海水の浸透圧は約2.5 MPaで、溶質ポテンシャルは約-2.5 MPaになります。

圧ポテンシャル（Ψp）

圧ポテンシャルは、水にかかる物理的な圧力を表します。健康で水分を十分に含んだ植物細胞の内部では、細胞の内容物が細胞壁を外側へ押しています。これを膨圧といい、正の圧ポテンシャルを生みます。値は通常+0.6から+0.8 MPa程度で、水を十分に与えられた植物では最大で約+1.5 MPaになります。植物の通水組織である道管では、水は押されるのではなく引っ張られることが多くあります。葉からの蒸発により、葉の表面に約-2 MPaの張力が生じることがあり、この値は空気の乾燥の度合いによって変わります。

水ポテンシャルの計算方法

1. 試料の溶質ポテンシャルをMPa単位で測定するか、既知の値を用います。この値は通常、負またはゼロです。
2. 試料の圧ポテンシャルをMPa単位で測定するか、既知の値を用います。この値は正、負、またはゼロになります。
3. 二つの数値を加算します。その合計が水ポテンシャルΨwです。

両方の値を入力すると、計算機がこの加算を自動的に行います。

計算例

ある葉の試料の溶質ポテンシャルは-0.7 MPa、圧ポテンシャルは+0.4 MPaです。

Ψw = Ψs + Ψp Ψw = -0.7 + 0.4 Ψw = -0.3 MPa

葉の水ポテンシャルは-0.3 MPaです。純水（0 MPa）に置くと、水はより高いポテンシャルの方向へ移動するため、葉の細胞は水を取り込みます。-0.5 MPaの土壌水に接触させると、-0.5 MPaのほうが-0.3 MPaより低いため、葉の細胞は逆に水を失います。

もう一つの例として、ある細胞のΨsは-1.8 MPa、Ψpは+0.5 MPaです。

Ψw = -1.8 + 0.5 = -1.3 MPa

結果の読み方

水ポテンシャルがより負の値であるほど、水はより大きなストレスを受けており、周囲の水を引き寄せる力も強くなります。負の度合いが小さい値や正の値は、水がより自由に利用できることを意味します。Ψsと Ψpの絶対値が等しく符号が逆の場合、たとえば-0.5 MPaと+0.5 MPaでは、合計は0 MPaとなり、純水と同じです。このような細胞は完全に張った状態で、純水から水を取り込みません。反対の極端な場合として、圧ポテンシャルが0 MPaまで下がると、水ポテンシャルは溶質ポテンシャルと等しくなります。圧ポテンシャルが0 MPaに近づくと、葉はしおれます。水分の損失がその点を越えて続くと、細胞膜が細胞壁から離れます。この状態を原形質分離といいます。

水ポテンシャルの単位

メガパスカル（MPa）は、現代の植物生理学で標準的に使われる単位です。古い文献や関連分野の文献では、ほかに次の二つの単位も使われます。

• バール：1 bar = 0.1 MPa
• キロパスカル（kPa、土壌学で一般的）：1 MPa = 1,000 kPa

水ポテンシャルが重要な理由

水ポテンシャルは、植物に関するいくつかの身近な現象を説明します。根は、根の水ポテンシャルが周囲の土壌より低いときに水を吸収します。葉は、細胞を張った状態に保てるだけ低い水ポテンシャルを維持できなくなると、しおれます。研究者は水ポテンシャルを使って、作物の品種ごとの干ばつへの耐性を比較し、灌漑管理者は圃場に水が必要な時期を判断するために使います。植物の水ポテンシャルが低くなるほど、干ばつストレスは強くなります。健全な範囲は、種や時間帯によって異なります。

この公式は溶質ポテンシャルと圧ポテンシャルだけを組み合わせるため、植物細胞や単純な溶液に最も関係する構成要素を扱います。土壌水ポテンシャルには、土壌粒子に結合した水を表すマトリックポテンシャルも含まれますが、この簡略化した二項計算では省略されています。

よくある質問

水ポテンシャルを簡単に言うと何ですか？ 系内の水がどの程度強く移動しようとするかを表す尺度です。熱が高温から低温へ流れるのと同じように、水は水ポテンシャルの高い方から低い方へ流れます。

水ポテンシャルの公式は何ですか？ Ψw = Ψs + Ψpです。ここで、Ψwは水ポテンシャル、Ψsは溶質ポテンシャル、Ψpは圧ポテンシャルを表します。三つともメガパスカルで測定します。

溶質ポテンシャルはなぜ通常、負なのですか？ 溶解した粒子が水分子と結合し、移動に利用できる自由な水の量を減らすため、水のエネルギーが低下します。ゼロまたは負の値が一般的で、溶質ポテンシャルが正になることはありません。

水ポテンシャルは正の値になりえますか？ はい、圧ポテンシャルが正で、負の溶質ポテンシャルの絶対値より大きい場合です。たとえば、Ψs = -0.3 MPa、Ψp = +0.5 MPaならば、Ψw = +0.2 MPaになります。この計算機はこのような入力を受け付け、正の合計値を返します。

水ポテンシャルと含水量の違いは何ですか？ 含水量は、存在する水の量です。水ポテンシャルは、その水が移動にどの程度利用可能かを表します。土性が水を保持する強さに影響するため、二つの土壌が同じ量の水を含んでいても、水ポテンシャルは大きく異なることがあります。

この計算機は土壌のマトリックポテンシャルを考慮しますか？ いいえ。溶質ポテンシャルと圧ポテンシャルだけを加算するため、植物細胞や単純な溶液には適しています。不飽和土壌の土壌水ポテンシャルはマトリックポテンシャルにも左右されるため、別途測定する必要があります。

参考文献

1. OpenStax。Biology 2e, 30.5 Transport of Water and Solutes in Plants。植物における水と溶質の輸送 — 水は水ポテンシャルが高い方から低い方へ移動します。純水は0 MPaです。溶質ポテンシャルは細胞内では負で、純水ではゼロです。圧ポテンシャルは約0.6から0.8 MPaで、最大1.5 MPaです。葉の表面には約-2 MPaの張力が生じます。萎凋点では、圧ポテンシャルは0 MPaに近づきます。
2. ハーバード大学医学大学院、BioNumbers。Osmotic pressure of sea water (BNID 108541)。海水の浸透圧 — 海水の浸透圧は約2.5 MPaで、NobelのPhysicochemical and Environmental Plant Physiologyを引用しています。
3. 米国国立標準技術研究所。NIST Guide to the SI (Special Publication 811), Appendix B.8。単位のアルファベット順の換算係数 — 1 bar = 100 kPa = 0.1 MPa。
4. OpenStax。Biology 2e, 5.2 Passive Transport。受動輸送 — 水を失い続ける植物細胞では、細胞膜が細胞壁から離れます。これが原形質分離で、植物は膨圧を失ってしおれます。