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、水ポテンシャルの高い領域から低い領域へ移動します。この一つの規則によって、水が植物の根に入り、茎を通って上昇し、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 — MPa単位の水ポテンシャル
• Ψs — MPa単位の溶質ポテンシャル（浸透ポテンシャルとも呼ばれます）
• Ψp — MPa単位の圧ポテンシャル

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、糖や塩などの溶解した粒子が水のエネルギーに及ぼす影響を表します。溶解した粒子は水分子を引きつけて保持するため、水の自由エネルギーを低下させます。このため、溶質ポテンシャルは常にゼロまたは負の値です。希薄溶液の値は0 MPaに近くなります。海水のような濃厚溶液では、約-2.5 MPaに達することがあります。

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。健康で水分が十分な植物細胞の内部では、細胞内容物が細胞壁を外向きに押します。これは膨圧と呼ばれ、通常は+0.3から+0.8 MPaの正の圧ポテンシャルを生じさせます。植物の通水組織である木部では、水は押されるよりも引っ張られることが多く、その結果、-2.0 MPaを下回ることもある負の圧ポテンシャルが生じます。

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であるほど、水はより強いストレス状態にあり、周囲の水を強く引き寄せます。負の程度が小さい値または正の値は、水がより自由に利用できることを示します。ΨsとΨpが大きさの等しい正負の値である場合、たとえば-0.5 MPaと+0.5 MPaの場合、合計は0 MPaになります。植物細胞では、この状態を初期原形質分離と呼びます。細胞は膨圧を失ったばかりで、まだ細胞壁から離れていない状態です。

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、植物に見られるいくつかの日常的な現象を説明します。根の水ポテンシャルが周囲の土壌より低いと、根は水を吸収します。葉は、細胞の張りを保てるほど水ポテンシャルを低く維持できないと、しおれます。研究者は水ポテンシャルを使って、異なる作物品種の干ばつ耐性を比較します。また、灌漑管理者は、圃場に水が必要な時期を判断するために利用します。日の出前の葉の水ポテンシャルが約-0.2から-0.5 MPaであれば、通常は十分に水分を含んだ植物を示します。正午の測定値が-0.8から-1.5 MPaまたはそれ以下の場合は、種によって異なりますが、干ばつストレスを示すことがあります。

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になることがありますか？ あります。圧ポテンシャルが正で、負の溶質ポテンシャルを上回る場合です。これは、根圧によって夜間に葉の縁から水が押し出されるときや、一部の特殊な植物細胞で起こります。

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。土壌の質感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。