Reaching heights of over 100 meters, Californian sequoias tower over Earth’s other estimated 60,000 tree species. Growing in the misty Sierra Nevada mountains, their massive trunks support the tallest known trees in the world. But even these behemoths seem to have their limits. No sequoia on record has been able to grow taller than 130 meters – and many researchers say these trees won’t beat that cap even if they live for thousands of years to come. So what exactly is stopping these trees from growing taller, forever?
به ارتفاع بیش از ۱۰۰ متر رسیده است، درختان تنومند سکویای کالیفرنیا در زمینی که تقریباً ۶۰,۰۰۰ گونه درختی دارد. در کوههای مهآلود نوادا در حال رشد هستند، تنههای عظیم آنها، بلندترین درختان شناختهشده در جهان هستند. اما به نظر میرسد که این درختان تنومند نیز محدودیتهای خود را دارند. هیچ درخت سکویایی تابهحال نتوانسته است از ۱۳۰ متر بلندتر شود-- و بسیاری از محققان میگویند که این درختان قادر به شکستن این رکورد نیستند حتی اگر آنها هزاران سال بعد از این هم زندگی کنند. دقیقاً چه چیزی مانع از مرتفع شدن بیشتر این درختان برای همیشه میشود؟
It all comes down to sap.
همهچیز از شیره گیاه شروع میشود.
In order for trees to grow, they need to bring sugars obtained from photosynthesis and nutrients brought in through the root system to wherever growth is happening. And just like blood circulates in the human body, trees are designed to circulate two kinds of sap throughout their bodies – carrying all the substances a tree’s cells need to live. The first is phloem sap. Containing the sugars generated in leaves during photosynthesis, phloem sap is thick, like honey, and flows down the plant’s phloem tissue to distribute sugar throughout the tree. By the end of its journey, the phloem sap has thinned into a watery substance, pooling at the base of the tree.
برای اینکه درختان رشد کنند، آنها باید قندهای بهدستآمده از فتوسنتز و مواد مغذی موجود در شبکه ریشهها را به هر قسمتی که در حال رشد است بیاورند. درست مانند گردش خون در داخل بدن انسان، درختان بهگونهای طراحی شدهاند که دو نوع شیره گیاهی را در بدنشان به گردش درآورند-- تا تمام موادی که سلولهای درخت برای زندگی لازم دارند تأمین کند. اولین مورد آن، شیره فلوئم است. که حاوی قندهایی است که برگها در طول فرایند فتوسنتز تولید کردهاند، شیره فلوئم مانند عسل غلیظ است، و از طریق آوندهای آبکش گیاه جریان میابد تا شکر را در سراسر درخت توزیع کند. در پایان سفر خود، شیره فلوئم، کم رنگ شده و به مادهای آبکی تبدیل میشود، و در پایه درخت جمع میشود.
Right beside the phloem is the tree’s other tissue type: the xylem. This tissue is packed with nutrients and ions like calcium, potassium, and iron, which the tree has absorbed through its roots. Here at the tree’s base, there are more of these particles in one tissue than the other, so the water from the phloem sap is absorbed into the xylem to correct the balance. This process, called osmotic movement, creates nutrient-rich xylem sap, which will then travel up the trunk to spread those nutrients through the tree. But this journey faces a formidable obstacle: gravity. To accomplish this herculean task, the xylem relies on three forces: transpiration, capillary action, and root pressure.
درست در کنار آوندهای آبکش نوع آوند دیگری به نام بافت چوبی وجود دارد. این بافت با مواد مغذی و یونهایی مانند کلسیم، پتاسیم و آهن، فشرده شده است، که درخت آنها را از طریق ریشهها جذب کرده است. اینجا در پایه درخت، تعداد بیشتری از این ذرات در یک بافت نسبت به بقیه وجود دارد، بنابراین آب حاصل از شیره فلوئم به داخل بافت چوبی جذب میشود تا تعادل ایجاد کند. این فرآیند که حرکت اسمزی نامیده میشود، شیرهی زایلمی سرشار از مواد مغذی ایجاد میکند، که پس از آن به بالاتنهی درخت میرود تا مواد مغذی را از طریق درخت پخش کند. اما این ماجراجویی با یک مانع بزرگ روبرو است، گرانش زمین. برای انجام این کار دشوار، بافت چوبی به سه نیرو متکی است: تعرق، اثر مويينگى، و فشار ریشه.
As part of photosynthesis, leaves open and close pores called stomata. These openings allow oxygen and carbon dioxide in and out of the leaf, but they also create an opening through which water evaporates. This evaporation, called transpiration, creates negative pressure in the xylem, pulling watery xylem sap up the tree. This pull is aided by a fundamental property of water called capillary action. In narrow tubes, the attraction between water molecules and the adhesive forces between the water and its environment can beat out gravity. This capillary motion is in full effect in xylem filaments thinner than human hair. And where these two forces pull the sap, the osmotic movement at the tree’s base creates root pressure, pushing fresh xylem sap up the trunk. Together these forces launch sap to dizzying heights, distributing nutrients, and growing new leaves to photosynthesize – far above the tree’s roots.
بهعنوان بخشی از فتوسنتز، برگها منافذی به نام استوماتا را باز و بسته میکنند. این باز شدن به اکسیژن و کربن دیاکسید امکان ورود و خروج به برگ را میدهد. همچنین آنها از این طریق منافذی را برای تبخیر آب ایجاد میکنند. این تبخیر سطحی، تعرق نامیده میشود، در بافت چوبی فشار منفی ایجاد میکند و باعث بالا رفتن شیره آبکی زایلم در درخت میشود. این کشش توسط خاصیت پایهای آب به نام اثر مويينگى پدید میآید. در لولههای باریک، جاذبه بین مولکولهای آب و نیروهای چسبندگی بین آب و محیط پیرامون آن میتوانند برنیروی گرانش غلبه کند. این حرکت مويينگى کاملاً در رشتههای بافت چوبی مؤثر است که از موی انسان هم نازکتر است. و جایی است که این دو نیرو شیره را بالا میبرند، حرکت اسمزی در پایه درخت باعث ایجاد فشار ریشهای میشود، که شیره تازه زایلم را به بالای تنه درخت میرساند. این نیروها با هم شیره را به ارتفاعات سرگیجهآوری پرتاب میکنند، مواد مغذی را پخش کرده و برگهای جدیدی را برای فتوسنتز پرورش میدهند-- بسیار بالاتر از ریشههای درختان.
But despite these sophisticated systems, every centimeter is a fight against gravity. As trees grow taller and taller, the supply of these vital fluids begins to dwindle. At a certain height, trees can no longer afford the lost water that evaporates during photosynthesis. And without the photosynthesis needed to support additional growth, the tree instead turns its resources towards existing branches.
اما با وجود این سیستمهای پیشرفته، هر سانتیمتر آن مبارزهای است در برابر نیروی گرانش. هرچه درختان بلندتر و بلندتر میشوند، تأمین این مایعات حیاتی شروع به کم شدن میکند. در یک ارتفاع معین، درختان دیگر قادر به تحمل آبی که در فرایند فتوسنتز تبخیر میشود، نیستند. و بدون نیاز به فتوسنتز برای حمایت از رشد اضافی، درختان در عوض، منابع خود را به سمت شاخههای موجود انتقال میدهند.
This model, known as the “hydraulic limitation hypothesis,” is currently our best explanation for why trees have limited heights, even in perfect growing conditions. And using this model alongside growth rates and known needs for nutrients and photosynthesis, researchers have been able to propose height limits for specific species. So far these limits have held up – even the world’s tallest tree still falls about fifteen meters below the cap. Researchers are still investigating the possible explanations for this limit, and there may not be one universal reason why trees stop growing. But until we learn more, the height of trees is yet another way that gravity, literally, shapes life on Earth.
این مدل، به فرضیه «محدودیت هیدرولیک» معروف است، و در حال حاضر بهترین پاسخ ما برای علت محدودیت ارتفاع درختان است، حتی در شرایط رشد کامل، و استفاده از این مدل در کنار نرخ رشد و نیازهای شناختهشده برای مواد مغذی و فتوسنتز، محققان توانستهاند محدودیتهای ارتفاع برای گونههای خاص را پیشبینی کنند. تاکنون این محدودیتها ادامه داشته است - حتی بلندترین درخت جهان حدوداً ۱۵ متر کمتر از این ارتفاع رشد میکنند. محققان هنوز در حال تحقیق در مورد توضیحات احتمالی برای این محدودیت هستند، هرچند ممکن است اجماع جهانی برای دلیل توقف رشد ارتفاع درختان وجود نداشته باشد، اما تا زمانی که بیشتر یاد بگیریم، ارتفاع درختان روش دیگری است که نیروی گرانش به معنای واقعی کلمه، زندگی روی زمین را شکل میدهد.