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?
Устремляясь на более 100 метров ввысь, калифорнийские секвойи возвышаются над остальными 60 000 видами деревьев. Произрастая в туманных горах Сьерра-Невады, секвойи имеют самые высокие стволы в мире деревьев. Но, похоже, что даже у таких зелёных великанов есть свои границы. Самые высокие из известных секвой не вырастали выше 130 метров, и учёные считают, что эти деревья не вырастут выше упомянутой отметки, даже если будут существовать не одну тысячу лет. Так что же не даёт этим деревьям расти до бесконечности ввысь?
It all comes down to sap.
Основная причина — древесный сок.
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.
Чтобы дерево росло, ему необходима доставка сахаров, полученных в результате фотосинтеза, и других питательных веществ от корневой системы. И подобно тому, как в организме происходит кровообращение, внутри дерева происходит обращение двух видов древесного сока, которые переносят все необходимые вещества для функционирования клеток. Первый — это флоэмный сок. Благодаря содержанию сахаров, вырабатываемых листьями в процессе фотосинтеза, флоэмный сок густой, как мёд, и сочится вниз по флоэмной ткани — так сахароза распределяется внутри дерева. В конце своего пути флоэмный сок истощается и превращается в водянистую жидкость, которая запасается у основания дерева.
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.
С флоэмой граничит ещё одна ткань — ксилема. В этой ткани содержатся питательные вещества и ионы, такие как кальций, фтор и железо, которые поглощаются корнями. Здесь, у основания дерева, таких веществ больше в одной ткани, чем в другой, поэтому вода из флоэмного сока впитывается в ксилему, и между тканями устанавливается баланс. В результате этого процесса, называемого осмосом, получается богатый питательными веществами ксилемный сок, который обычно течёт вверх по стволу и доставляет питательные вещества к листьям. Однако на пути встаёт серьёзное препятствие — сила притяжения. Чтобы справиться с этой неимоверной силой, ксилеме помогают три силы: транспирация, капиллярный эффект и давление в корне.
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.
В процессе фотосинтеза у листьев открываются и закрывают поры, или устьица. Через эти щели в лист поступает углекислый газ и выходит кислород, но также через эти отверстия испаряется вода. В результате процесса испарения, называемого транспирацией, в ксилеме создаётся отрицательное давление и сок движется вверх по стволу. Движению способствует главное свойство воды — капиллярный эффект. В узких сосудах притяжение между молекулами воды и адгезия воды и окружающих поверхностей способны преодолеть силу притяжения. В полной мере капиллярный эффект наблюдается в волокнах ксилемы, которые тоньше человеческого волоса. Под действием этих двух сил, заставляющих течь древесный сок, у основания дерева возникает осмос, создающий давление в корневой системе, таким образом свежий ксилемный сок начинает движение вверх по стволу. Вместе эти силы способны доставлять сок на неимоверные высоты, распределяя питательные вещества и позволяя листьям расти и участвовать в фотосинтезе на большом расстоянии от корней.
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.
Но несмотря на сложное устройство, каждый сантиметр дерева — это напряжённая борьба с гравитацией. По мере роста потоки ценных веществ начинают ослабевать. На определённой высоте деревья уже не могут позволить себе терять воду в результате фотосинтеза. А без фотосинтеза, который необходим для дальнейшего роста, дерево наоборот направляет ресурсы к уже́ существующим ветками.
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.
Эта модель, известная как гипотеза гидравлического ограничения, на сегодняшний день является единственным объяснением, почему высота деревьев может быть ограничена, даже несмотря на благоприятные условия для роста. Применяя эту модель, а также скорости роста и известные данные о потребностях в питательных веществах и фотосинтезе, учёные рассчитали предельные размеры для определённых видов деревьев. На сегодняшний день эти границы не достигнуты: даже самое высокое дерево в мире почти на 15 метров ниже порога роста. Учёные всё ещё исследуют возможные объяснения этого предела, и возможно, не существует универсальной причины, почему деревья перестают расти. Но пока мы не получим новых данных, высота деревьев будет оставаться ещё одним примером того, как гравитация определяет жизнь на Земле.