Hai loại lá cho hai điều kiện thời tiết khắc nghiệt khác nhau.

Cây gỗ đỏ ven biển là một loại cây kỳ diệu mà các nhà khoa học đã nghiên cứu qua nhiều thế hệ. Chúng ta biết rằng đây là những cây sống cao nhất và đã tồn tại hàng ngàn năm, chống chọi được với lửa và sâu bệnh. Do có tuổi thọ cao, kích thước lớn và khả năng chống phân hủy, các khu rừng mà cây gỗ đỏ chiếm ưu thế có khả năng lưu trữ khối lượng trên mặt đất, và do đó có lẽ cũng là lượng carbon nhiều hơn bất kỳ hệ sinh thái nào khác trên Trái Đất.

Tuy nhiên, trong quá trình làm việc cho một nghiên cứu mới được công bố, các đồng nghiệp tại Đại học California, Davis, Đại học Cal Poly Humboldt và tôi đã phát hiện ra một bí mật đang nằm ngay trước mắt.

Hóa ra, cây gỗ đỏ có hai loại lá khác nhau, trông cũng khác nhau và thực hiện các nhiệm vụ rất khác nhau. Đặc điểm chưa từng được biết đến này giúp cây thích nghi với cả điều kiện ẩm và khô – một khả năng có thể là chìa khóa cho sự sống còn của chúng trong bối cảnh khí hậu đang thay đổi.

Vừa đủ nước

Ở bất kỳ nơi nào có cây cối mọc, sớm hay muộn thì lá của chúng cũng sẽ bị ướt. Đối với cây trong môi trường ẩm ướt, điều này có thể trở thành vấn đề nếu các màng nước che phủ các khí khổng của chúng. Những lỗ nhỏ xíu này cho phép khí carbon dioxide xâm nhập vào lá để cây có thể kết hợp nó với nước tạo thành mô thực vật thông qua quá trình quang hợp. Nhiều loại cây phổ biến trong rừng ẩm ướt có lá với những đặc điểm giúp ngăn chặn sự hình thành của các màng nước này.

Ngược lại, những cây mọc ở môi trường khô ráo lại tận dụng được các đợt ướt lá ngắn hạn để hấp thụ nước quý giá trực tiếp qua bề mặt của lá thông qua các cấu trúc lá đặc biệt, thậm chí cả qua các khí khổng. Tuy nhiên, một số cây, bao gồm cả cây gỗ đỏ ven biển, sống trong cả môi trường ẩm và khô với sự thay đổi mạnh mẽ theo mùa.

Đối với những cây lá rộng như cây sồi lá nhỏ, loài cây phát triển trong khí hậu Địa Trung Hải với mùa hè khô và mùa đông mưa, thách thức về độ ẩm theo mùa này khá dễ khắc phục. Các khí khổng của chúng nằm ở mặt dưới của lá được che chắn, giữ cho chúng không bị dính nước, trong khi bề mặt trên của lá hấp thụ nước. Nhưng cây gỗ đỏ là loài cây hạt trần, tức là cây có quả hình nón, với những chiếc lá kim mỏng và phẳng, và chúng cần một cách khác để cân bằng giữa mục tiêu xua đuổi và hấp thụ nước.

Những cây lớn với những bí mật lớn

Các nhà khoa học từ lâu đã biết về khả năng hấp thụ nước qua lá của cây gỗ đỏ. Nhưng việc xác định lượng nước mà cây gỗ đỏ có thể hấp thụ theo cách này, cũng như khả năng này có thể thay đổi như thế nào giữa các loại khí hậu, thực sự là một thách thức đối với loài cây này.

Trước tiên, một cây gỗ đỏ lớn có hơn 100 triệu chiếc lá với một diện tích bề mặt khổng lồ để hấp thụ nước. Và cấu trúc của những chiếc lá này thay đổi đáng kể theo độ cao, từ dài và phẳng ở gần mặt đất đến ngắn và dày đặc ở phần ngọn. Vì vậy, chúng tôi không thể chỉ đơn giản là lấy lá ở dưới mặt đất.

Thêm vào đó, lực hấp dẫn luôn kéo nước trong thân cây theo chiều đi xuống. Kết quả là những chiếc lá ở phần ngọn cây luôn có lượng nước sẵn có ít hơn so với những lá ở phần dưới. Độ khô tự nhiên của ngọn cây sẽ hút nước vào lá nhanh hơn so với những chiếc lá giàu nước ở phía dưới, giống như một miếng bọt biển khô hút nước nhanh hơn một miếng bọt biển ẩm.

Để có được một bức tranh chính xác về cách cây gỗ đỏ hấp thụ nước, chúng tôi cần lấy lá từ các cây trong môi trường ẩm ướt và khô ráo, và từ nhiều độ cao khác nhau trên cây đó. Để đưa mẫu lá về mức nước tự nhiên dựa trên trọng lực để phân tích, chúng tôi đặt mẫu lá vào một buồng sương – trong trường hợp này là một chiếc thùng chứa đá được nối với máy tạo độ ẩm trong phòng – và đo mức tăng trọng lượng theo thời gian để xem chúng có thể hấp thụ được bao nhiêu nước.

Một chuỗi các manh mối

Khi chúng tôi tháo rời các cụm chồi của cây gỗ đỏ để đưa chúng vào buồng sương, chúng tôi chia từng cụm thành các phần. Các cụm chồi của cây gỗ đỏ tỏa ra từ một lõi gỗ và được chia thành các chồi riêng lẻ ở nhiều độ tuổi, mỗi chồi có một bộ lá riêng. Chúng tôi tách các chồi dọc theo trục trung tâm gỗ khỏi các chồi mềm dẻo hơn ở rìa ngoài của mỗi cụm.

Nhanh chóng nhận ra rằng các chồi từ trục trung tâm có lá hấp thụ nước nhanh gấp ba lần so với lá ở rìa. Khi chúng tôi nhìn vào bên trong các lá bằng kính hiển vi, chúng tôi hiểu rằng chúng là hai loại hoàn toàn khác nhau. Chúng không giống nhau từ bên ngoài, nhưng điều này bất ngờ đến mức chúng tôi cần phải quan sát cấu trúc bên trong để thực sự tự thuyết phục.

Lá trục trung tâm được đóng gói với các tế bào chứa nước, nhưng hệ thống ống dẫn nhựa (phloem) của chúng – các ống trong lá để chuyển hóa đường quang hợp đến cây – dường như bị tắc và không còn sử dụng được. Nếu một cái cây có lá, thì thông thường là để thực hiện quang hợp, nhưng chúng tôi tự hỏi liệu những chiếc lá trục trung tâm này có một mục đích khác không.

Ý nghĩa đối với cây gỗ đỏ

Việc hiểu những nguyên nhân gây ra sự khác biệt trong khả năng hấp thụ nước của lá cây gỗ đỏ có thể giúp chúng ta đánh giá khả năng hấp thụ nước khác nhau giữa các cây và môi trường, cả hiện tại và trong tương lai. Theo quan điểm của tôi, đây là phần có thể ứng dụng hữu ích nhất trong nghiên cứu của chúng tôi.

Cây gỗ đỏ thay đổi số lượng hai loại lá để phù hợp với khí hậu địa phương của chúng. Trong các khu rừng mưa ẩm ướt ở phía bắc dãy phân bố của chúng, phía trên hạt Mendocino, cây đầu tư ít hơn vào lá trục trung tâm chuyên biệt cho việc hấp thụ nước. Những chiếc lá này tập trung ở phần thấp của tán cây, để lại phần ngọn cây hiệu quả về quang hợp tự do tối đa hóa sản xuất đường dưới ánh sáng mặt trời sáng.

Ngược lại, trong các khu rừng khô cằn ở phía nam của dãy phân bố của cây gỗ đỏ, cây có nhiều lá trục trung tâm hơn ở các ngọn cây thiếu nước. Điều này cho phép chúng tận dụng tốt hơn các sự kiện ẩm ướt ngắn, nhưng điều đó cũng đồng nghĩa với việc chúng quang hợp ít hơn trên mỗi diện tích lá so với cây gỗ đỏ ở vùng ẩm hơn.

Khả năng thay đổi loại lá của cây gỗ đỏ để phù hợp với sự khác biệt khí hậu khu vực có thể giúp chúng thích nghi với biến đổi khí hậu trong một California ngày càng khô cằn. Điều đó là tin vui cho việc bảo tồn những cây kỳ vĩ này, và có thể là một đặc điểm đáng nghiên cứu khi các nhà khoa học cố gắng liên kết các đặc điểm chịu hạn với sự khác biệt khu vực trong các quần thể cây gỗ đỏ.