Η απλή φυσική μπορεί να περιορίσει το μέγεθος των φύλλων
Η ανάπτυξη των φύλλων μπορεί να μην είναι τόσο περίπλοκη όσο φαίνεται. Όταν συγκρίνονται, είδη με είδη, τα πιο κοντά δέντρα παρουσιάζουν μεγαλύτερη ποικιλία μεγεθών φύλλων από τα ψηλότερα, με τα ψηλότερα δέντρα να έχουν όλα φύλλα μήκους 10 έως 20 εκατοστών, αναφέρει ένας βιοφυσικός και ένας βιολόγος. Το στενό εύρος μεγέθους μπορεί να έχει μια απλή εξήγηση στην εσωτερική υδραυλική εγκατάσταση των δέντρων, λένε. Εάν είναι σωστό, η ανάλυση θα εξηγούσε επίσης γιατί τα ψηλότερα δέντρα ξεπερνούν περίπου τα 100 μέτρα.
"Είναι μια πολύ απλή παρατήρηση", λέει η Kaare Jensen, βιοφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, η οποία παρουσιάζει, μαζί με τον Maciej Zwieniecki από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Davis, την ανάλυση σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Physical Review Letters . «Ήμασταν τυχεροί που άλλοι δεν τα είχαν καταφέρει πριν».
Οι Jensen και Zwieniecki θεωρούσαν μόνο ανθοφόρα φυτά ή αγγειόσπερμα, όπως σφενδάμια και βελανιδιές, αλλά όχι γυμνόσπερμα, όπως πεύκα και κόκκινα ξύλα. Εξετάζοντας τα υπάρχοντα δεδομένα για τα είδη του 1925, διαπίστωσαν ότι μεταξύ των αγγειόσπερμων μικρότερων από 30 μέτρα, το μήκος των φύλλων ποικίλλει πάρα πολύ, από τα 3 εκατοστών μπούκλες της φτελιάς από δαντέλα έως τα πτερύγια των 60 εκατοστών της μεγαλόφυλλης μανόλιας. Το εύρος στενεύει καθώς αυξάνεται το ύψος του δέντρου, με τα ψηλότερα αγγειόσπερμα να φυτρώνουν όλα τα φύλλα μήκους 10 έως 20 εκατοστών.
Και οι δύο εξηγούν αυτή την τάση όσον αφορά τη ροή του χυμού και της ενέργειας μέσα από το δέντρο. Ένα φύλλο ενός αγγειόσπερμου παράγει ένα ζαχαρούχο χυμό που ρέει σε ένα δίκτυο κυττάρων που μοιάζουν με σωλήνες που ονομάζεται phloem, το οποίο μεταφέρει το χυμό κάτω από τον κορμό του δέντρου και μέσα από τις ρίζες. Στην πορεία, το δέντρο μεταβολίζει τη ζάχαρη. Αυτή η ροή καθοδηγείται από μια διαφορά στη συγκέντρωση των σακχάρων, η οποία δημιουργεί «ωσμωτική πίεση».
Οι Jensen και Zwieniecki διαμόρφωσαν ένα δέντρο ως ένα ζεύγος κυλινδρικών σωλήνων:ένας κοντός, διαπερατός σωλήνας (το φλοίωμα στο φύλλο) προσαρτημένος σε έναν μακρύ, αδιαπέραστο σωλήνα (το φλόωμα στον κορμό). Ο χυμός διαχέεται στο φλοίωμα των φύλλων και ταξιδεύει προς τα κάτω στο φλοίωμα του κορμού. Όσο μακρύτερος είναι ο διαπερατός φυλλοσωλήνας, τόσο μεγαλύτερη επιφάνεια έχει, άρα τόσο πιο εύκολα μπορεί να εισέλθει ο χυμός. Τα πράγματα είναι διαφορετικά στο φλοιό του κορμού:Όσο πιο μακρύς είναι ο σωλήνας, τόσο μεγαλύτερη αντίσταση που μοιάζει με τριβή προσφέρει στη ροή. (Σχεδίασαν το "νεροχύτη" στον οποίο ο χυμός εισέρχεται από το φλοίωμα ως ένας τρίτος, διαπερατός κύλινδρος, αλλά υπέθεσαν ότι είναι τόσο μακρύς που παρέχει αμελητέα αντίσταση και μπορεί να αγνοηθεί.)
Οι ερευνητές στη συνέχεια εξέτασαν πώς η συνολική ροή του χυμού και της ενέργειας ποικίλλει ανάλογα με το μήκος των φύλλων. Εάν τα φύλλα είναι μεγάλα, τότε η αντίσταση από τον κορμό περιορίζει τη ροή. Στην πραγματικότητα, το να κάνετε τα φύλλα μεγαλύτερα από ένα ορισμένο μέγιστο μήκος δεν αποφέρει πρόσθετη ροή ή όφελος. Από την άλλη, αν τα φύλλα είναι πολύ μικρά, η αντίστασή τους περιορίζει τη ροή. Και αν ένα φύλλο είναι μικρότερο από ένα ορισμένο ελάχιστο μήκος, τότε ο χυμός θα ρέει μέσα από το φλοίωμα πιο αργά από ό,τι θα μπορούσε απλώς να διαχέεται μέσα από το δέντρο. Σε εκείνο το σημείο, τα υδραυλικά του φλοέμου θα γίνονταν άχρηστα.
Στην πραγματικότητα, αυτά τα όρια ταιριάζουν απόλυτα στο παρατηρούμενο σχέδιο μεγεθών των φύλλων, αναφέρουν οι ερευνητές. Και καθώς αυξάνεται το ύψος του δέντρου, τα δύο όρια συγκλίνουν και διασταυρώνονται σε περίπου 100 μέτρα:το ύψος των ψηλότερων αγγειόσπερμων. Αυτό σημαίνει ότι τα δέντρα ψηλότερα από 100 μέτρα απλά δεν μπορούσαν να παράγουν φύλλα που υπακούουν και στα δύο όρια μήκους, θέτοντας ένα όριο για το ύψος του δέντρου, λέει ο Jensen.
Δεν αγοράζουν όλοι την εξήγηση. «Μου αρέσει η προσέγγιση, αλλά νομίζω ότι είναι υπερβολική», λέει ο John Sperry, φυτοφυσιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα στο Salt Lake City. Το εξαιρετικά απλό μοντέλο αφήνει έξω αρκετούς παράγοντες που θα έπρεπε να αλλάξουν δραστικά τα μαθηματικά, λέει ο Sperry. Για παράδειγμα, λέει, δεν υπάρχει σχέση ένα προς ένα μεταξύ των φύλλων και των σωλήνων φλοιώματος στον κορμό, καθώς οι σωλήνες συγχωνεύονται. Όσον αφορά την ομοιομορφία του μεγέθους των φύλλων μεταξύ των ψηλότερων δέντρων, ο Sperry σημειώνει ότι τέτοια δέντρα αναπτύσσονται στα πιο ήπια περιβάλλοντα και ότι παρόμοιες συνθήκες μπορεί να οδηγήσουν σε παρόμοια μεγέθη φύλλων για άλλους λόγους.
Ωστόσο, ο C. Kevin Boyce, ένας παλαιοντολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο στο Ιλινόις, ο οποίος ειδικεύεται στην εξέλιξη των φυτών, λέει ότι βρίσκει το επιχείρημα για τα όρια εύλογο. «Η άρθρωση του ίδιου του μοτίβου είναι ένα σημαντικό βήμα», λέει. "Και αν είσαι το πρώτο άτομο που αναγνωρίζει ένα μοτίβο, θα έχεις και την πρώτη ρωγμή στην εξήγηση του." Η θεωρία θα μπορούσε να ελεγχθεί περαιτέρω βλέποντας εάν το μοτίβο των μεγεθών των φύλλων είναι το ίδιο για διαφορετικές οικογένειες εντός της ομάδας αγγειόσπερμων, λέει.
Ο Jensen έχει μια διαφορετική ιδέα για τη δοκιμή της θεωρίας. Τα μαθηματικά παρέχουν μια απλή εξίσωση για το πώς η ταχύτητα ροής ποικίλλει ανάλογα με το ύψος ενός δέντρου και το μήκος των φύλλων του. Αυτή η ταχύτητα θα μπορούσε να μετρηθεί σε διαφορετικά είδη ψηλών δέντρων, λέει, αν και αυτό μπορεί να απαιτήσει τη λήψη ενός μηχανήματος μαγνητικής τομογραφίας στον θόλο του τροπικού δάσους.
