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?
ด้วยความสูงที่มากกว่า 100 เมตร ต้นสนยักษ์ซีคัวยาของรัฐแคลิฟอร์เนีย มีความสูงกว่า 60,000 สปีชีส์ต้นไม้ทั่วโลก พวกมันเติบโตขึ้นที่หุบเขาแห่งหมอก เซียร์ราเนวาดา ลำต้นขนาดมหึมาของพวกมัน ช่วยค้ำจุนต้นไม้ที่ใหญ่ที่สุดในโลกนี้ อย่างไรก็ตาม แม้แต่ยักษ์ใหญ่พวกนี้ ก็มีขีดจำกัดเหมือนกัน ไม่มีต้นสนยักษ์ซีคัวยาต้นใดที่เติบโต ได้สูงกว่า 130 เมตร และงานวิจัยต่าง ๆ ก็ยังพบว่าต้นไม้พันธุ์นี้ จะไม่มีวันก้าวข้ามขีดจำกัดได้ ถึงแม้พวกมันจะมีอายุยืนนาน ไปอีกหลายพันปีข้างหน้า ถ้าเช่นนั้น สิ่งใดที่ทำให้ต้นไม้พวกนี้ หยุดการเจริญเติบโตไปตลอดกาลกันล่ะ
It all comes down to sap.
คำตอบก็คือยางไม้นั่นเอง
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.
การที่ต้นไม้จะเจริญเติบโตได้นั้น พวกมันจะต้องนำน้ำตาลที่ได้รับ จากการสังเคราะห์แสง และสารอาหารที่ได้รับผ่านทางระบบราก ไปสู่ที่ใด ๆ ก็ตามที่เกิดการเจริญเติบโตขึ้น เช่นเดียวกับเลือดที่หมุนเวียนในตัวมนุษย์ ต้นไม้นั้นถูกสร้างขึ้นให้มียางไม้หมุนเวียน ในลำต้นอยู่ด้วยกันสองแบบ ลำเลียงสารอาหารต่าง ๆ ที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิตของเซลล์ต้นไม้ แบบแรกคือ ยางไม้โฟลเอม ซึ่งทำหน้าที่ลำเลียงน้ำตาลจากใบไม้ ในช่วงสังเคราะห์แสง ยางไม้โฟลเอมนั้นมีความเหนียวเหมือนน้ำผึ้ง และยังสามารถลำเลียงลงไปที่เนื้อเยื่อโฟลเอม เพื่อกระจายน้ำตาลไปทั่วทั้งต้น ช่วงท้ายของยางไม้ชนิดนี้ มันจะกลายเป็นสารเหนียว ๆ รวมกันอยู่ที่โคนต้นไม้
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.
อีกเนื้อเยื่อหนึ่งซึ่งอยู่ติดกับโฟลเอมเลย นั่นก็คือ เนื้อเยื่อไซเล็ม เนื้อเยื่อนี้อุดมไปด้วยสารอาหารและประจุไอออน เช่น แคลเซียม โพแทสเซียม และธาตุเหล็ก ซึ่งมาจากการที่รากของมันนั้นได้ดูดซับ สารอาหารพวกนี้ไว้ นี่คือส่วนของโคนต้นไม้ มีสารอาหารอยู่ในเนื้อเยื่อ มากกว่าอีกฝั่งหนึ่ง ดังนั้น น้ำจากเนื้อเยื่อโฟลเอมจึงถูก ดูดซึมเข้าไปสู่เนื้อเยื่อไซเล็ม เพื่อให้ทั้งสองสมดุลกัน กระบวนการนี้ เราเรียกมันว่า การเคลื่อนที่แบบออสโมติก ซึ่งช่วยสร้างยางไม้ไซเล็ม ซึ่งมีสารอาหารจำนวนมาก ยางไม้ชนิดนี้จะลำเลียงขึ้นบนไปทางลำต้น แจกจ่ายสารอาหารต่าง ๆ ไปทั่วต้นไม้ ทว่าการเดินทางครั้งนี้จะพบกับอุปสรรค อันน่าสะพรึง ซึ่งนั่นก็คือแรงโน้มถ่วง เพื่อที่จะบรรลุเป้าหมายอันทรหดนี้ ไซเล็มจะต้องพึ่งพาสามกระบวนการนี้ การคายน้ำ การซึมตามรูเล็ก ๆ และแรงดันราก
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.
ส่วนหนึ่งของการสังเคราะห์แสง คือการที่ใบไม้นั้นเปิดและปิดปากใบ การทำเช่นนี้ จะเกิดการแลกเปลี่ยนออกซิเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ที่ปากใบ มากไปกว่านั้น มันยังสร้างช่องทาง ที่ทำให้น้ำระเหยออกมาได้ด้วย การระเหยนี้ เราเรียกมันว่า การคายน้ำ ซึ่งจะสร้างแรงดันลบให้กับไซเล็ม ทำให้น้ำจากไซเล็มลำเลียงขึ้นมาส่วนบนได้ กระบวนการนี้มีคุณสมบัติพื้นฐานของน้ำ เป็นตัวช่วย เราเรียกมันว่าการซึมตามรูเล็ก ๆ ในท่อลำเลียงเล็ก ๆ แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของน้ำ กับแรงยึดเกาะของน้ำต่อสภาพแวดล้อม สามารถเอาชนะแรงโน้มถ่วงได้ กระบวนการซึมตามท่อลำเลียงเล็ก ๆ นี้ ทำงานเต็มประสิทธิภาพภายในเส้นใยไซเล็ม ท่อพวกนี้บางกว่าเส้นผมคนเสียอีก และเมื่อใดก็ตามที่สองกระบวนการนี้ ไปดันยางไม้ขึ้นมา การเคลื่อนที่แบบออสโมติกที่โคนต้นไม้ จะสร้างแรงดันรากขึ้นมา ซึ่งทำให้ยางไม้ไซเล็มที่ผลิตใหม่ สามารถลำเลียงขึ้นไปบนลำต้น เมื่อสามกระบวนการนี้มารวมกัน จะสามารถลำเลียงยางไม้ขึ้นไปได้สูงทีเดียว กระจายสารอาหาร และแตกใบใหม่ เพื่อสังเคราะห์แสง ในความสูงที่ไกลจากรากต้นไม้ขึ้นไปอีก
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.
แต่แม้จะมีระบบที่ซับซ้อนเหล่านี้ ทุก ๆเซนติเมตรที่ต้นไม้เติบโต นั่นคือการต่อสู้กับแรงโน้มถ่วง เมื่อต้นไม้สูงขึ้นเรื่อย ๆ ทรัพยากรของเหลวที่สำคัญเหล่านี้ ก็ลดลงเรื่อย ๆ เมื่อความสูงถึงจุด ๆหนึ่ง ต้นไม้จะไม่สามารถจัดหาน้ำที่ระเหยไป จากกระบวนการสังเคราะห์แสง และเมื่อไม่มีกระบวนการสังเคราะห์แสง เพื่อการเจริญเติบโตแล้ว ต้นไม้ก็จะเปลี่ยนทรัพยากรไปให้กับ กิ่งก้านที่มีอยู่แล้ว
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.
ตัวแบบนี้รู้จักในชื่อ "สมมติฐานข้อจำกัดเชิงชลศาสตร์" ในปัจจุบันนับว่าเป็นคำอธิบายที่ดีที่สุดว่า ทำไมต้นไม้ถึงมีความสูงจำกัด แม้อยู่ในสภาพการเจริญเติบโตที่สมบูรณ์แบบ การใช้ตัวแบบนี้ ควบคู่ไปกับอัตราการเจริญเติบโต และความรู้ที่มีเกี่ยวกับสารอาหาร และการสังเคราะห์แสง นักวิจัยจึงสามารถระบุขีดจำกัดความสูง กับต้นไม้บางสายพันธ์ุ แม้ว่าขีดจำกัดเหล่านี้ได้ถูกคำนวณขึ้น ต้นไม้ที่สูงที่สุดในโลกก็ยังมีความสูง ต่ำกว่าขีดจำกัดถึง 15 เมตร นักวิจัยยังคงค้นคว้าถึงคำอธิบาย ที่เป็นไปได้ของขีดจำกัดความสูงนี้ และมันอาจไมได้มีเพียงเหตุผลเดียวที่ว่า ทำไมต้นไม้ถึงหยุดเจริญเติบโต จนกว่าเราจะมีข้อมูลเพิ่มเติม ความสูงของต้นไม้จึงนับว่าเป็น เครื่องหมายที่ว่า แรงโน้มถ่วงนั้นได้กำหนดชีวิต บนโลกใบนี้อย่างแท้จริง