Nghiên cứu mới cho thấy các cây nhiệt đới khổng lồ vẫn đưa nước tốt lên tận cành ngọn
(news.exeter.ac.uk)- Một nghiên cứu do University of Exeter và Cardiff University dẫn dắt, công bố trên Science, cho rằng những cây nhiệt đới Dipterocarp thuộc nhóm cao nhất thế giới vận chuyển nước lên tận cành ngọn bằng cách điều chỉnh cấu trúc vận chuyển bên trong
- Các lý thuyết trước đây cho rằng cây càng cao thì gánh nặng vận chuyển nước càng lớn, làm tăng giới hạn sinh trưởng và mức độ dễ tổn thương trước hạn hán, nhưng nghiên cứu này cho thấy gánh nặng đó được “bù đắp hoàn toàn”
- Khi khảo sát các cây Dipterocarp cao 7~71m ở Malaysian Borneo, nhóm nghiên cứu phát hiện cây càng lớn thì đặc tính của các ống dẫn nước và lá càng thay đổi phù hợp với chiều cao
- Nhóm nghiên cứu cũng đo tốc độ tăng trưởng thân cây trước, trong và sau đợt hạn hán El Niño mạnh năm 2023~2024, và không tìm thấy bằng chứng cho thấy cây cao dễ tổn thương hơn các cây Dipterocarp nhỏ hơn
- Vì 1% số cây lớn nhất lưu trữ hơn một nửa lượng carbon trên mặt đất của rừng, một số mô hình tác động biến đổi khí hậu vốn giả định hệ thống thủy lực yếu ở cây cao có thể cần được xem xét lại
Phản bác giả thuyết rằng chiều cao hạn chế việc vận chuyển nước
- Nghiên cứu mới cho rằng những cây nhiệt đới lớn nhất thế giới không gặp vấn đề lớn khi đưa nước lên tận cành ngọn
- Các lý thuyết trước đây dự đoán rằng khi cây lớn lên, việc vận chuyển nước từ rễ lên lá trở nên khó khăn hơn, dẫn đến hạn chế sinh trưởng và tăng mức độ dễ tổn thương trước hạn hán
- Phân tích cho thấy các cây Dipterocarp khổng lồ điều chỉnh cấu trúc vận chuyển nước bên trong để bù đắp hoàn toàn gánh nặng do chiều cao gây ra
- Chỉ riêng chiều cao của cây không khiến hệ thống vận chuyển nước dễ tổn thương trước hạn hán hơn so với cây nhỏ, và trong thời gian hạn hán nghiêm trọng cũng không xuất hiện suy giảm tăng trưởng liên quan đến chiều cao
Cấu trúc vận chuyển nước và khả năng thích nghi của Dipterocarp
- Các loài Dipterocarp là những cây thực vật có hoa lớn nhất thế giới và chiếm ưu thế trong rừng mưa nhiệt đới châu Á
- Cây vận chuyển nước qua nhiều ống rỗng, mảnh, đồng thời tạo áp suất thấp ở ngọn để kéo nước lên trên
- Những ống này đã thích nghi để giữ nước ở trạng thái lỏng ngay cả dưới mức áp suất cực thấp cần thiết để đưa nước lên tới ngọn của những cây cao hơn 80m
- Hệ thống thủy lực của các cây Dipterocarp rất cao đã tiến hóa phù hợp với chiều cao của cây, và dường như không chịu tổn hại lớn hơn so với các cây Dipterocarp nhỏ hơn trong cùng điều kiện hạn hán
Đo đạc thực địa tại Malaysian Borneo
- Nhóm nghiên cứu khảo sát các cây Dipterocarp có chiều cao từ 7~71m tại Malaysian Borneo
- Họ đo nhiều đặc điểm ở các vị trí khác nhau trên từng cây để xác định cây cao bù đắp cho chiều cao như thế nào
- Các ống dẫn nước gần mặt đất rộng hơn
- Lá thích nghi để chịu được căng thẳng nước lớn hơn trước khi héo
- Tốc độ tăng trưởng thân cây trước, trong và sau đợt hạn hán El Niño mạnh năm 2023~2024 cũng được đo cùng lúc
Tác động đối với lưu trữ carbon và mô hình biến đổi khí hậu
- 1% số cây lớn nhất lưu trữ hơn một nửa lượng carbon trên mặt đất của rừng
- Một số dự báo trước đây cho rằng hệ thống thủy lực của cây cao yếu hơn, nên nguy cơ chết do hạn hán cao hơn
- Giả định này được đưa vào một số mô hình tác động biến đổi khí hậu
- Kết quả lần này cho thấy giả định đó có thể không đúng, và cần nghiên cứu thêm về hệ thống thủy lực cũng như khả năng phục hồi sau hạn hán của các loài cây cao khác
Đơn vị tham gia nghiên cứu và thông tin bài báo
- Đồng tác giả Palasiah Jotan giải thích rằng Dipterocarp chiếm ưu thế trong rừng mưa nhiệt đới Malaysian Borneo và là trung tâm của hệ sinh thái cũng như đa dạng sinh học địa phương
- Ông kỳ vọng kết quả cho thấy ngay cả các cây Dipterocarp cao nhất cũng có khả năng phục hồi thủy lực trước hạn hán sẽ củng cố cơ sở cho việc bảo vệ những khu rừng này trong bối cảnh khí hậu đang thay đổi
- Nhóm nghiên cứu gồm Sabah Forestry Department, UK Centre for Ecology & Hydrology, University of Aberdeen và các tổ chức tại Cộng hòa Séc, Đức, Tây Ban Nha, Brazil, Mỹ
- Nghiên cứu được Natural Environment Research Council hỗ trợ
- Tên bài báo là “Height does not impair the hydraulic system of the tallest tropical Dipterocarp trees.”
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Câu này có vẻ đã nói giảm khá nhiều về hiện tượng. Ở đây áp suất cực thấp thực ra là áp suất âm ở mức vài bar, và thách thức cốt lõi để giữ nước ở trạng thái lỏng nằm ở việc tránh hiện tượng tạo khoang (cavitation)
Tôi từng tiếp xúc với vật lý của cây trong kỳ thi tuyển sinh École Polytechnique, và đến giờ nó vẫn còn in trong đầu: http://alainrobichon.free.fr/Concours/X_PC_PH1_01.pdf
Theo tôi biết, 25 năm sau sinh viên vẫn đang giải kiệt tác này như bài tập luyện
Thỉnh thoảng tôi trồng cần sa và ớt, và khi đã khá quen tay, tôi nhận ra cây cối linh hoạt hơn tưởng tượng rất nhiều. Vì vậy bài này không làm tôi ngạc nhiên lắm
Rốt cuộc cây vẫn làm được những việc cần làm. Tôi từng bơm CO2 mạnh hoặc tăng dinh dưỡng đến mức tạo ra hẳn một hệ sinh thái côn trùng và tình huống hoàn toàn mới
Nó thú vị đến mức thật ra tôi muốn sống kiểu đời như vậy. Tôi là nhà khoa học máy tính, nhưng giờ lại nhớ khoa học thực vật
Nếu bạn quan tâm, tôi rất khuyến nghị các chiến lược tỉa lá và phương pháp huấn luyện ít stress. Cây không phải sinh vật ngu ngốc, kết quả có thể đạt được rất đáng kinh ngạc, và khoa học về bản chất của thực vật đang ngày càng sâu hơn
Thực ra nội dung này mâu thuẫn với các nghiên cứu và kết quả đo đạc hiện có về cây lớn. Có vẻ bài này chỉ xét đến tối đa khoảng 80m, trong khi thực tế trên thế giới có đúng 0 cây cao hơn 130m [1]
Các mao quản rộng ở gốc mà bài báo nói đến dường như không liên quan
[1] https://www.sfgate.com/science/article/REDWOODS-How-tall-can...
Trước khi bắt đầu chỉnh sửa dòng tế bào mầm người, nền văn minh của chúng ta cần thành thạo hơn rất nhiều với những công nghệ như vậy, và cuối cùng một ngày nào đó chúng ta cũng sẽ muốn chỉnh sửa dòng tế bào mầm người. Hiện tại chúng ta đang rất kiềm chế, nhưng không biết sẽ kéo dài được bao lâu. Dù sao thì cây cao 1.000m chắc sẽ cực kỳ tuyệt
Kurzgesagt có hai video nói về cây và những câu hỏi kiểu này
https://m.youtube.com/watch?v=ZSch_NgZpQs
https://m.youtube.com/watch?v=pHJIhxZEoxg
https://www.youtube.com/watch?v=HjHMoNGqQTI
Ngay từ đầu tôi đã không kỳ vọng sẽ có vấn đề. Nó chỉ trông như một vấn đề nếu ta ngây thơ tưởng tượng rằng trong cây có một ống mở nối từ trên xuống dưới
Chuyền xô nước hoạt động như nhau dù leo 10 tầng hay 100 tầng. Một hệ thống mở và đóng van cũng vậy
Bơm nước từ xô nước ở một tầng của tòa nhà lên xô nước ở tầng kế tiếp là việc dễ, rồi cứ lặp lại ở tầng sau. Vì không có cột nước liên thông, áp suất của nhiều tầng phía trên không ảnh hưởng
Cây lớn nhất từng được ghi nhận đã bị loại trừ, một phần vì nó vượt quá giới hạn lý thuyết: https://en.wikipedia.org/wiki/Nooksack_Giant
Thật đáng tiếc là cây này, cùng với gần như toàn bộ các cây Douglas-fir khổng lồ, đã bị đốn hạ
Biển chỉ dẫn ghi rằng cây Nooksack đã cho 96.345 board feet gỗ “chất lượng cao nhất”
New York Times số ngày 7/3/1897 đánh giá cây này là “cây linh sam hùng vĩ nhất từng được mắt người chứng kiến”, và gọi việc phá hủy nó là “một câu chuyện thật đáng thương” cũng như “một tội ác”
The Morning Times ngày 28/2/1897 tuyên bố rằng nếu xẻ lượng gỗ này thành bề rộng 1 inch thì nó sẽ vươn “từ Whatcom đến Trung Quốc”
Có một thời gian người ta săn trộm loại rêu có vai trò này, mà rêu chỉ mọc được vài inch mỗi năm nên thành vấn đề
Thật may là trên Vancouver Island vẫn còn vài cây Douglas Fir, Sitka Spruce, Western Red Cedar lớn
[1]: https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Lonely_Doug
“Cây khổng lồ không gặp vấn đề gì khi bơm nước lên tới các cành trên ngọn”, có thể là vì ngay từ đầu chúng không thực sự bơm nước
Ngược lại, nhiều cây khổng lồ lấy nước từ không khí thông qua sương mù
Sự ngưng tụ của sương mù ven biển chiếm một phần đáng kể trong nhu cầu nước của cây[23]
https://en.wikipedia.org/wiki/Sequoia_sempervirens#Fog_and_f...
https://en.wikipedia.org/wiki/Sequoia_sempervirens
Nếu chúng tiến hóa theo cấu trúc phân đoạn thì có lẽ đã có thể mọc cao hơn nữa
[1] https://www.sfgate.com/science/article/REDWOODS-How-tall-can...
Mọi người vẫn đang đánh giá thấp nước có cấu trúc
Tôi thừa nhận đây là vấn đề gây tranh cãi và chỉ được một số ít phòng thí nghiệm ngoài phòng thí nghiệm của Gerald Pollack tại University of Washington tái lập, nhưng có cơ sở vững chắc cho thấy nó có thể đóng vai trò trong việc vận chuyển nước và nhựa cây lên tới ngọn cây. Ít nhất, nó có liên quan đến chuyển động được tạo ra trong các ống ưa nước khi có đủ năng lượng bức xạ xung quanh, tức tia cực tím/tia hồng ngoại
Các bài báo liên quan:
“Exclusion-zone water inside and outside of plant xylem vessels.” 2024 Scientific Reports. https://www.nature.com/articles/s41598-024-62983-3
“Surface-induced flow: a natural microscopic engine using infrared energy as fuel.” 202 Science Advances. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aba0941
“Long-range forces extending from polymer-gel surfaces.” 2003 Phys. Rev. E. https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevE.68.031408
Trang của Pollack: https://www.pollacklab.org/
Các phê bình về lý thuyết của Pollack:
Schurr, J.M. (2013). Phenomena associated with gel–water interfaces: analyses and alternatives to the long-range ordered water hypothesis. J. Phys. Chem. B, 117(25), 7653–7674. https://doi.org/10.1021/jp302589y
Elton, D.C., Spencer, P.D., Riches, J.D. & Williams, E.D. (2020). Exclusion zone phenomena in water — a critical review of experimental findings and theories. Int. J. Mol. Sci., 21(14), 5041. https://doi.org/10.3390/ijms21145041
Elton, D.C. & Spencer, P.D. (2021). Pathological water science — four examples and what they have in common. In Water in Biomechanical and Related Systems (Biologically-Inspired Systems, vol. 17), pp. 155–170. Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-030-67227-0_8 (preprint: https://arxiv.org/abs/2010.07287)
Chủ đề đó yêu cầu mọi người liệt kê những mục như vậy, và danh sách đã dài ra đến hàng trăm mục. Dù có nhiều mục còn vô lý hơn nhiều, mọi người vẫn không nhịn được tức giận khi thấy từ khóa kích hoạt của mình
Cái này có thể đưa vào mục vi lượng đồng căn
Tôi không hiểu vì sao người ta tin rằng cây không thể đưa nước lên quá một giới hạn nhất định. Thứ cần có chỉ là hệ thống van, và thực vật vốn đã có những thứ như vậy cho các mục đích khác. Nói rằng cây bị giới hạn theo kiểu đúng nghĩa là hút nước lên thì không hợp lý. Nếu vậy, đa số cây đã phải bị chặn lại ở độ cao mà chúng dễ dàng vượt qua rồi
Có vẻ đơn giản là giờ đây cây không còn mọc lớn đến mức đó nữa. Ngay cả những cây phổ biến như vân sam cũng có vẻ có thể đạt tới 100m, nhưng chỉ là thường không mọc đến mức ấy
Một khả năng là cạn kiệt dinh dưỡng. Nhưng cá nhân tôi cho rằng nguyên nhân là sự vắng mặt của voi. Voi liên tục phá hỏng cây non, và có thể chỉ một số ít may mắn sống sót mới lớn khổng lồ được. Có lẽ redwood là kết quả của việc người bản địa loại bỏ cây non và để lại cây già
https://www.youtube.com/watch?v=BickMFHAZR0
Tôi khuyên nên xem. Tôi nghĩ đây là một trong những video Veritasium hay nhất mà Derek từng làm
Những khu rừng cao cổ xưa hơn nhưng gần đây hơn vẫn trụ tốt trên một Trái Đất lạnh hơn, nên có thể điều đó không đặc biệt liên quan
Dù vậy, cũng dễ hình dung rằng một Trái Đất ấm hơn, ẩm hơn và có nồng độ CO2 trong khí quyển cao hơn sẽ thuận lợi hơn cho sự phát triển của những cây cao hơn
Mặt khác, đây không phải lĩnh vực chuyên môn của tôi nên cũng có thể tôi chẳng biết mình đang nói gì