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?
Với chiều cao hơn 100 mét, cây sequoia California sừng sững như tòa tháp so với hơn 60.000 loài cây trên Trái đất. Mọc ở vùng núi Sierra Nevada đầy sương mù, loài cây cao nhất trên thế giới này được chống đỡ bởi những cái thân khổng lồ. Nhưng ngay cả chúng dường như cũng có giới hạn. Theo ghi chép, không một cây sequoia nào cao hơn 130 mét - và nhiều nhà nghiên cứu cho rằng chúng sẽ không thể vượt qua ngưỡng đó, dù có sống thêm hàng ngàn năm.
It all comes down to sap.
Vậy, chính xác điều gì khiến chúng không thể cao mãi?
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.
Tất cả đều do nhựa cây. Để phát triển, cây cần vận chuyển đường thu được từ quá trình quang hợp, các chất dinh dưỡng từ rễ đến các bộ phận khác của cây. Và giống như máu lưu thông trong cơ thể người, cây được thiết kế để vận chuyển hai loại nhựa đến khắp thân, mang các dưỡng chất đến các tế bào. Đầu tiên là dịch mạch rây. Chứa đường sinh ra từ quá trình quang hợp, dịch mạch rây đặc quánh, như mật ong, và chảy xuống tế bào ống rây phân phối đường khắp cây. Cuối hành trình, dịch mạch rây loãng ra như nước và nhập lại tại gốc. Bên cạnh tế bào mạch rây là tế bào mạch gỗ.
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.
Các tế bào này giàu chất dinh dưỡng và ion như canxi, kali và sắt, do rễ cây hấp thụ chuyển đến các bộ phận khác của cây. Tại rễ, có những tế bào chứa nhiều khoáng chất hơn tế bào khác, do đó, để cân bằng, nước từ dịch mạch rây thẩm thấu vào dịch mạch gỗ. Quá trình này, gọi là sự thẩm thấu, tạo ra dịch mạch gỗ giàu dinh dưỡng, sau đó, di chuyển lên thân cây phân phối các chất dinh dưỡng. Nhưng hành trình này phải đối mặt với một trở ngại không nhỏ: trọng lực. Để hoàn thành nhiệm vụ phi thường này, mạch gỗ phải dựa vào ba lực: lực hút do thoát hơi nước, hiện tượng mao dẫn, và áp suất rễ.
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.
Là một phần của quang hợp, lá đóng mở các lỗ nhỏ, gọi là khí khổng. Khí khổng cho phép khí cacbonic và oxy lưu thông qua lá, nó cũng tạo ra một khe hở để nước có thể bay hơi. Sự bay hơi này gọi là sự thoát hơi nước, tạo ra áp suất âm trong mạch gỗ, kéo dịch mạch gỗ di chuyển lên cây. Lực kéo này được tăng cường nhờ hiện tượng mao dẫn. Trong mao dẫn hẹp, lực liên kết giữa các phân tử nước với nhau và với thành mạch gỗ có thể thắng trọng lực. hiện tượng mao dẫn ảnh hưởng lên toàn sợi gỗ, do sợi gỗ mỏng hơn tóc người. Khi hai lực này kéo nhựa cây, hiện tượng mao dẫn tại gốc sinh ra áp suất rễ, đẩy dịch mạch gỗ tươi lên thân cây. Sự kết hợp của ba lực này đẩy nhựa cây lên đến độ cao chóng mặt, phân phối chất dinh dưỡng, và hình thành lá mới để quang hợp - xa phía trên rễ cây.
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.
Nhưng dù những hệ thống này có tinh vi đến đâu, mỗi centimet là một cuộc chiến chống lại trọng lực. Khi cây ngày một cao hơn, sự cung cấp các chất dinh dưỡng thiết yếu bắt đầu suy yếu. Đạt đến độ cao nhất định, cây không còn đủ nước để mất cho quá trình quang hợp. Không có quá trình quang hợp hỗ trợ cho sự tăng trưởng, cây hướng các dưỡng chất tới các nhánh sẵn có.
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.
Mô hình này, được gọi là "thuyết giới hạn thủy lực", đến nay, là lời giải thích tốt nhất cho việc vì sao chiều cao của cây lại có giới hạn, ngay cả ở điều kiện phát triển lý tưởng. Sử dụng mô hình này kèm với tốc độ tăng trưởng, hiểu biết về nhu cầu dinh dưỡng và quá trình quang hợp, các nhà nghiên cứu có thể đưa ra giới hạn chiều cao cho các loài cụ thể. Đến nay, giới hạn này vẫn không có gì thay đổi - ngay cả cây cao nhất thế giới vẫn thấp hơn ngưỡng giới hạn khoảng mười lăm mét. Các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm lời giải thích, và có thể không có một lý do chung nào cho việc cây ngừng phát triển. Chờ đến lúc ta có thêm thông tin, chiều cao của cây vẫn là một trong những cách trọng lực định hình sự sống trên Trái đất.