محققان توانسته‌اند نظریه‌ای ارایه دهند که ارتباط میان اندازه برگ و ارتفاع درختان را توضیح می‌دهد. آن‌ها معتقدند که فرایند انتقال مواد سیال در آوند‌ها، ارتباط میان ارتقاع درخت و اندازه برگ‌ آن‌ را مشخص می‌کند.

نظریه‌ای در فیزیکال ریویو لترز تشریح می‌کند که چرا برگ بلندترین درختان فارغ از گونه، تقریبا یک اندازه هستند و همچنین نشان‌ می‌دهد که چرا حدی بر روی ارتفاع درخت وجود دارد. این حدها به دلیل ویژگی‌های سامانه آوندی گذاشته می‌شود که به عقیده محققان سیالات غنی از شکر را در سراسر درخت توزیع می‌کنند. آن‌ها پیش‌بینی‌های نظریه خود را با داده‌های چندین گونه مقایسه کردند و توافق خوبی میان آن‌ها یافتند. این نظریه توضیحی فیزیکی برای پدیده‌ای است که زیست‌شناسان به آن پاسخ نداده‌اند.

اندازه برگ درخت از چند میلی‌متر تا بیش از یک متر تفاوت می‌کند اما بازه اندازه با افزایش قد درخت کاهش می‌یابد به نحوی که همه گونه‌های بلندقد درختان برگ‌هایی حدود ۱۰-۲۰ سانتی‌متر دارند. گیاهشناسان این مشاهدات را توضیح نداده‌اند اما زیست‌فیزیک‌دان، کاری جنسن (Kaare Jensen) از دانشگاه هاروارد و زیست‌شناس، ماسیچ زوینکی (Maciej Zwieniecki) در دانشگاه کالیفرنیا-دیویس، گمان برده‌اند که شاید بر اساس اصول شارش سیال در درختان توضیح ساده‌ای وجود داشته باشد. آن‌ها نظریه‌ای ساخته‌اند که اثرات اندازه برگ را بر بازدهی شارش شکرهای غنی از انرژی در سامانه آوندی بافتی درخت، توصیف می‌کند.

یک برگ از طریق فتوسنتز سیال غنی از انرژی تولید می‌کند، سپس از طریق کانال‌های بافت آن‌ها به دیگر بخش‌های درخت همانند ریشه‌ها و میوه‌ها می‌فرستد. درون برگ، سرعت شارش از ابتدای برگ به انتهای آن افزایش می‌یابد زیرا به خاطر پدیده اسمزی، میزان آب در کانال‌های غنی از شکر افزایش می‌یابد؛ همانند انشعابات آبی بسیار که درون یک رود می‌ریزند. هرچه برگ بزرگتر باشد، شارش تندتر می‌شود تا این که به «دهانه» کانال می‌رسد و سیال برگ را ترک می‌کند. وقتی به تنه رسید، سیال با مقاومتی روبرو می‌گردد که به ارتفاع درخت بستگی دارد.

سوال اصلی پیش‌روی جنسن و زوینکی این بود که چگونه طول برگ و ارتفاع درخت، سرعت شاره را تعیین می‌کنند و در نتیجه چگونه بازده انتقال سیال غنی از انرژی در سراسر گیاه معین می‌شود. آن‌ها استدلال کردند به همان نسبت که درخت قد می‌کشد، مقاومت تنه شارش را کند می‌کند. افزایش اندازه برگ شاید تا حدی این را جبران کند اما در نهایت مقاومت تنه بسیار بزرگ و غالب می‌گردد به طوری‌ که اندازه برگ، اثر کوچکی بر آهنگ شارش دارد.

بر اساس نظریه جنسن و زوینکی، بیشینه اندازه برگ در نقطه «بازده نزولی» حاصل می‌آید که سرمایه متابولیک در برگ‌های بزرگ برای مفید بودن بسیار بزرگ است. ضمنا، آن‌ها اشاره داشتند که اگر اندازه برگ بسیار کوچک باشد، شارش به قدری آهسته می‌شود که نمی‌تواند در آهنگی منطقی وارد تنه شود و اندازه برگ کمینه می‌شود.

آن‌طور که از معادلات این پژوهشگران بر می‌آید، این حدها با کمیات به دسته آمده در گونه‌های حیات‌وحش همخوانی دارد. به علاوه، منحنی‌های اندازه بیشینه و کمینه برگ با افزایش قد درخت همگرا می‌شوند و در ارتفاع ۱۰۰ متری به هم‌ می‌رسند که نزدیک به ارتفاع بلندترین درختان است. اگر درخت بلندتر بود، نظریه پیش‌بینی می‌کند که هیچ اندازه برگی نمي تواند نیازهای آوندی درخت را برآورده کند. گروه همچنین نشان‌ می‌دهد که اندازه‌گیری‌های مستقیم قبلی آن‌ها از آهنگ شارش در گیاهان [۱] با پیش‌بینی‌های کنونی تطبیق دارد.

استیون وگل (Steven Vogel)، متخصص زیست‌مکانیک در دانشگاه دوک می‌گوید: ‌«فکر می‌کنم که آن‌ها کار بسیاری خوبی کرده‌اند. انتقال محصولات فتوسنتزی در ارگانیسم‌ها که برای درختان امری مهم است، مبنا‌یی خوب برای عمومیت ایده آن‌هاست.»

منبع: Leaf Size Fixed by Tree Physics

مرجع:

·       K. H. Jensen, J. Lee, T. Bohr, H. Bruus, N. M. Holbrook, and M. A. Zwieniecki, “Optimality of the Münch Mechanism for Translocation of Sugars in Plants,” J. R. Soc. Interface 8, 1155 -2011 (اینجا)

·       Physical Limits to Leaf Size in Tall Trees, Kaare H. Jensen and Maciej A. Zwieniecki, Phys. Rev. Lett. 110, 018104 -2013 (اینجا)