Vì sao cây không thể cao mãi?

Với chiều cao hơn 100 mét, cây hồng sam 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.

Loài bách hồng sam bờ biển của California có danh pháp khoa học là Sequoia sempervirens, tên thường gọi là cây gỗ đỏ. (Ảnh: National Geographic).

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. 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. 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. 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. 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.

• Phát hiện thiên thể hiếm thấy lai giữa sao chổi và tiểu hành tinh
• Các nhà khoa học đã tạo ra một loại kháng thể để chống lại bệnh béo phì
• Bằng cách nào để đưa oxy đến tất cả tế bào trong cơ thể?