W 2006 roku w północnej Kalifornii zmierzono sekwoję, która ma 115,55 metra. Wciąż nie znamy wyższego drzewa. Ta wysokość nie bierze się z siły, bo drzewo nie ma pompy ani mięśnia, który pchałby wodę w górę. Wodę ciągnie parowanie z liści, a im wyżej trzeba ją podać, tym trudniej utrzymać ją w jednym kawałku. Właśnie dlatego wysokość drzew ma sufit, którego nie przeskoczy żaden okaz.
Sto piętnaście metrów i ani jednej pompy
Drzewo nazwano Hyperion. Znaleźli je w sierpniu 2006 roku Chris Atkins i Michael Taylor, a zmierzył Stephen Sillett z Humboldt State University. Najpierw użył dalmierza laserowego z ziemi, ale nie chciał ogłaszać rekordu, dopóki nie wszedł na drzewo i nie spuścił z czubka taśmy z włókna szklanego. Laser nie zawsze trafia w najwyższy liść, taśma spuszczona z korony nie ma tego problemu. Wyszło 379,1 stopy, czyli 115,55 metra. Przy okazji okazało się, że w parku rośnie 136 sekwoi wyższych niż 350 stóp, czyli ponad 106 metrów. W latach dziewięćdziesiątych znano około dwudziestu pięciu takich drzew[1].
Żeby zrozumieć, dlaczego to dużo, trzeba zajrzeć do środka pnia. Woda w drzewie płynie martwymi rurkami: cewkami i naczyniami ksylemu. To puste, zdrewniałe przewody bez żywej treści, bez błon i bez własnego napędu. Drzewo nie może ich ani zacisnąć, ani rozluźnić. Na dole rurki stykają się z wodą w korzeniach, na górze z liśćmi.
W liściu woda paruje przez szparki i ucieka do powietrza. Każda cząsteczka, która odlatuje, pociąga za sobą sąsiadkę, bo cząsteczki wody trzymają się siebie wiązaniami wodorowymi i przylegają do ścian przewodu. W całym pniu powstaje więc napięcie: słupek wody jest rozciągany od góry, a nie wypychany od dołu. Fizycy mówią w tym przypadku o podciśnieniu, czyli o ciśnieniu niższym od atmosferycznego.
Woda rozciągnięta jak lina
Ile wynosi to napięcie? Samo podniesienie wody na sto metrów kosztuje co najmniej jeden megapaskal, blisko dziesięć atmosfer różnicy ciśnień, a do tego dochodzi tarcie o ścianki przewodów[2]. W koronie drzewa wielkości Hyperiona grawitacja zjada około 1,1 megapaskala, zanim woda dotknie pierwszego liścia.
Tu zaczyna się problem, którego nie widać w szklance. Woda pod takim napięciem jest w stanie metatrwałym: jej ciśnienie jest niższe niż ciśnienie pary nasyconej, więc z punktu widzenia termodynamiki wolałaby być gazem. W laboratorium, w czystym naczyniu bez pęcherzyków, można ją rozciągnąć nawet do około 150 megapaskali, zanim sama z siebie zamieni się w parę[3]. Drzewo nie ma jednak laboratorium. W drewnie są szczeliny, zrosty i miejsca, w których łatwo o zarodek bąbelka.
Kiedy bąbelek wciągnie się do przewodu, napięcie w nim natychmiast spada, woda odparowuje do wnętrza pęcherza, a rurka przestaje przewodzić. To zjawisko nazywa się kawitacją, a zaczopowany przewód to zator. Zatory rozchodzą się dalej przez sitka między cewkami: jeśli różnica ciśnień jest dość duża, powietrze przeciska się przez największy otwór i zaraża kolejną rurkę. Dlatego drewno nie może być naraz maksymalnie wydajne i maksymalnie bezpieczne.
Drzewa radzą sobie z tym tylko częściowo. Badacze transportu wody w ksylemie znaleźli w soku lipidowe związki powierzchniowo czynne, podobne do tych w płucach. Mogą one otaczać mikropęcherzyki i trzymać je poniżej krytycznego rozmiaru. To wciąż hipoteza, dobrze podparta obserwacjami, ale nie zamknięta.
Bezpieczny przewód wiezie mniej wody
Najlepszy pomiar tego kompromisu zrobiono na daglezji, jednym z najwyższych gatunków świata. Zespół Jean-Christophe’a Domeca zbadał drewno z pni i gałęzi drzew o wysokości od 6 do 85,5 metra. W drewnie iglastym wodę prowadzą cewki, a między nimi są sitka z zastaweczką, która przy różnicy ciśnień zamyka otwór jak zawór zwrotny.
Okazało się, że im wyżej, tym mniejszy otwór sitka, przy prawie niezmienionej zastawce. To zwiększa odporność na zassanie powietrza, ale dławi przepływ: przewodność sitka spada około trzykrotnie na odcinku osiemdziesięciu metrów[4]. Autorzy policzyli, gdzie ten trend dochodzi do zera. Dla pni wypadło 109 metrów, dla gałęzi 138 metrów, a próg, przy którym zator zaczyna rosnąć w sposób niekontrolowany, około 107 metrów. Historyczne pomiary daglezji mówią o drzewach od 100 do 127 metrów. Trzy oszacowania z tej samej pracy, oparte na różnych cechach drewna, wypadły w przedziale od 107 do 138 metrów, a dawne rekordy daglezji mieszczą się w nim.
To ważne, bo pokazuje, że sufit nie jest umowny. Wynika z geometrii drewna, a nie z tego, że nikt nie widział wyższego okazu.
Liście na szczycie mają mniej wody niż korzenie
W 2004 roku zespół George’a Kocha zbadał sekwoje w lasach północnej Kalifornii, w tym najwyższe znane wtedy drzewo świata o wysokości 112,7 metra. W koronach mierzył, jak wraz z wysokością zmieniają się liście i ich fotosynteza. Wyszło, że im wyżej, tym większy stres wodny: liście słabiej rosną i słabiej fotosyntezują, mimo że gleba pod drzewem jest mokra. Ekstrapolacja tych gradientów dała maksymalną wysokość 122 do 130 metrów, o ile nie dojdzie do uszkodzenia mechanicznego[5].
Praca wspomina o dawnych relacjach jeszcze wyższych drzew, ale sam szacunek opiera się na tym, co udało się zmierzyć na żywych sekwojach. Dwa lata po publikacji znaleziono Hyperiona i rekord podniósł się do 115,55 metra. Kierunek się zgadza: jesteśmy blisko sufitu, ale jeszcze pod nim.
Dlaczego w lesie prawie żadne drzewo go nie dotyka
Jak zauważają autorzy tych pomiarów, większość daglezji nie dochodzi do 109 metrów, bo wcześniej kończy je susza, wiatr, ogień, owady i choroby. Sufit jest granicą hydrauliczną, a nie obietnicą. W suchszym lesie te same drzewa są niższe nie dlatego, że mają gorsze geny, ale dlatego, że woda w ich przewodach szybciej zbliża się do progu zatoru. Przy tak wysokim napięciu korona zaczyna też zrzucać najbardziej wysunięte gałęzie. Drzewo oddaje część siebie, żeby utrzymać resztę.
Hyperion wyrósł na pochyłym zboczu, choć większość olbrzymich sekwoi kiełkuje w dolinach potoków, gdzie gleba jest zasobniejsza, a wody więcej. Ma 115,55 metra. Woda w jego czubku jest rozciągnięta jak lina, a każda susza podnosi napięcie w tej linie. Wysokość drzewa to nie wyścig o rekord, tylko bilans: ile wody da się podać na górę, zanim droga się rozedrze.
Źródła
- Cal Poly Humboldt (wtedy Humboldt State University), „HSU Prof Confirms World’s Tallest Tree”, 1 października 2006. https://now.humboldt.edu/news/hsu-prof-confirms-worlds-tallest-tree
- H. J. Schenk i in., „Xylem Surfactants Introduce a New Element to the Cohesion-Tension Theory”, Plant Physiology 173 (2), 2017, doi 10.1104/pp.16.01039. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5291718/
- D. M. Johnson, G. Katul, J.-C. Domec, „Catastrophic hydraulic failure and tipping points in plants”, Plant, Cell & Environment 45 (8), 2022, doi 10.1111/pce.14327. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9544843/
- J.-C. Domec i in., „Maximum height in a conifer is associated with conflicting requirements for xylem design”, PNAS 105 (33), 2008, doi 10.1073/pnas.0710418105. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2575339/
- G. W. Koch, S. C. Sillett, G. M. Jennings, S. D. Davis, „The limits to tree height”, Nature 428, 2004, s. 851-854, doi 10.1038/nature02417. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15103376/
- Zdjęcie: Shawn Miller / Library of Congress (Wikimedia Commons), „Grove of redwood trees in Redwood National and State Parks, June 24, 2024”, licencja CC BY-SA 4.0, kadr 16:9 i skalowanie do 1200×675, kadr na tej samej licencji. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Grove_of_redwood_trees_in_Redwood_National_and_State_Parks,_June_24,_2024.jpg
