巨大な熱帯樹は最上部の枝まで水を効率よく吸い上げるという新研究
(news.exeter.ac.uk)- University of ExeterとCardiff Universityが主導し、Scienceに発表した研究は、世界でも最大級の熱帯フタバガキ科の木が内部の輸送構造を調整して最上部の枝まで水を運ぶと示している
- 従来の理論では、木は高くなるほど水輸送の負担が増し、成長限界や干ばつへの脆弱性が高まるとされていたが、今回の研究ではその負担が「完全に補償」されることが示された
- Malaysian Borneoの高さ7〜71mのフタバガキ科の木を調査した結果、大きな木ほど水を運ぶ管や葉の特性が高さに合わせて変化していた
- 研究チームは2023〜2024年の強いEl Niño干ばつの前・最中・後の幹の成長率も測定し、背の高い木が小型のフタバガキ科の木より脆弱だという証拠は得られなかった
- 最大の1%の木が森林の地上部炭素の半分以上を貯蔵しているため、背の高い木の弱い水理システムを前提とした一部の気候変動影響モデルは再検討が必要かもしれない
高さが水輸送を制限するという仮説への反証
- 新研究は、世界で最も大きな熱帯樹が最上部の枝まで水を吸い上げることに大きな問題はないと示している
- 従来の理論では、木は成長するほど根から葉まで水を運ぶことが難しくなり、成長制限と干ばつへの脆弱性が増すと予想されてきた
- 巨大なフタバガキ科の木は、内部の水輸送構造を調整することで高さによる負担を完全に補償していると分析された
- 木の高さだけでは、水輸送システムが小さな木より干ばつに対して脆弱になることはなく、深刻な干ばつの間にも高さに関連した成長損失は見られなかった
フタバガキ科の水輸送構造と適応
- フタバガキ科は世界で最も大きい被子植物の樹木であり、アジアの熱帯雨林を支配している
- 木は多数の細く空洞の管を通じて水を運び、頂部で低圧を生み出して水を上へ引き上げる
- これらの管は、80mを超える木の頂上まで水を移動させるのに必要な極めて低い圧力でも、水を液体のまま保てるよう適応している
- 非常に背の高いフタバガキ科の水理システムは木の高さに合わせて進化しており、同じ干ばつ条件の小型のフタバガキ科の木より大きな損傷を受けないことが示された
Malaysian Borneoでの現地測定
- 研究チームはMalaysian Borneoで高さ7〜71mの範囲にあるフタバガキ科の木を調査した
- 各木の複数の位置でさまざまな形質を測定し、背の高い木がどのように高さを補償しているかを確認した
- 地面に近い場所の導水管がより太くなっていた
- 葉はしおれる前により大きな水分ストレスに耐えられるよう適応していた
- 2023〜2024年の強いEl Niño干ばつの期間の前・最中・後における幹の成長率もあわせて測定した
炭素貯蔵と気候変動モデルへの影響
- 最大の1%の木は森林の地上部炭素の半分以上を貯蔵している
- 一部の従来予測では、背の高い木の水理システムは弱く、干ばつで枯死するリスクが高いとみなしていた
- こうした前提は一部の気候変動影響モデルに組み込まれている
- 今回の結果は、その前提が正しくない可能性を示しており、他の高木の水理システムと干ばつ回復力について追加研究が必要である
研究参加と論文情報
- 共著者のPalasiah Jotanは、フタバガキ科がMalaysian Borneoの熱帯雨林を支配し、地域の生態系と生物多様性の中心だと説明した
- 彼は、最も背の高いフタバガキ科でも干ばつに対して水理学的な回復力があるという結果が、変化する気候の中でこの森林を保護すべきだという根拠を強めることを期待している
- 研究チームにはSabah Forestry Department、UK Centre for Ecology & Hydrology、University of Aberdeen、チェコ、ドイツ、スペイン、ブラジル、米国の機関が含まれる
- 研究はNatural Environment Research Councilの支援を受けた
- 論文タイトルは“Height does not impair the hydraulic system of the tallest tropical Dipterocarp trees.”である
1件のコメント
Hacker News の意見
この文は現象をかなり矮小化して言っているように思う。ここでいう極低圧は、実際には数 bar 程度の負圧で、水を液体のまま保つうえでの核心的な難題はキャビテーション（cavitation）を避けることにある
École Polytechnique の入学試験で木の物理学に触れたのだが、いまでも頭に焼き付いている: http://alainrobichon.free.fr/Concours/X_PC_PH1_01.pdf
私の知る限り、学生たちは25年たった今でもこの傑作を演習問題として解いている
ときどきマリファナとトウガラシを育てているが、かなり慣れてくると、植物は想像以上に柔軟だということが分かってきた。だからこの記事はあまり驚きではない
植物は結局、必要なことをやり遂げる。CO2 を強く供給したり、栄養分を増やしたりして、まったく新しい昆虫の生態系や状況が生まれたこともある
あまりに面白くて、正直こういう人生を送りたくなってくる。コンピュータ科学者だが、今では植物科学が恋しい
興味があるなら、葉の除去戦略と低ストレス・トレーニングの手法を強く勧める。植物は愚かな生き物ではなく、得られる結果も驚くべきもので、植物の本質に関する科学は日々深まっている
実際には、大きな木に関する既存研究や測定結果と矛盾する内容だ。この記事は最大で80m程度までしか見ていないようだし、世界中に130mを超える木が正確に0本であるという事実もある [1]
記事で言及されている根元の広い毛細管は関係なさそうだ
[1] https://www.sfgate.com/science/article/REDWOODS-How-tall-can...
ヒト生殖細胞系列の編集を始める前に、私たちの文明はそうした技術にずっと熟達している必要があるし、結局いつかはヒト生殖細胞系列を編集したくなるはずだ。今は大きな自制を見せているが、それがどれほど続くかは分からない。いずれにせよ、1,000m の木は本当にすごそうだ
Kurzgesagt には、木とこうした疑問を扱った動画が2本ある
https://m.youtube.com/watch?v=ZSch_NgZpQs
https://m.youtube.com/watch?v=pHJIhxZEoxg
https://www.youtube.com/watch?v=HjHMoNGqQTI
そもそも問題があるとは思わない。木の中に上から下まで続く開いた管があると素朴に想像したときだけ、問題のように見える
バケツリレーは階段を10階上がろうが100階上がろうが同じように機能する。バルブを開閉するシステムも同じだ
建物のある階のバケツから次の階のバケツへ水をポンプで送るのは簡単で、それを次の階で繰り返せばよい。連続した水柱がないので、上の複数階の圧力は影響しない
記録上最大の木は、理論上の限界を超えているという理由も含めて退けられている: https://en.wikipedia.org/wiki/Nooksack_Giant
ほとんどすべての巨大な Douglas-fir と同じく、この木も伐ってしまったのは残念だ
案内板には、Nooksack の木が「最高品質」の木材を 96,345 board feet 生産したと書かれていた
New York Times は1897年3月7日付で、この木を「人間の目が見た最も壮大なモミの木」と評し、その破壊を「実に哀れな話」であり「犯罪」だと呼んだ
1897年2月28日の The Morning Times は、この木材を1インチ幅に挽けば「Whatcom から中国まで」届くと主張した
しばらくの間、こうした役割を果たすコケを密猟する人たちがいたが、コケは1年に数インチしか成長しないので問題になる
Vancouver Island に大きな Douglas Fir、Sitka Spruce、Western Red Cedar がまだ何本か残っているのは幸運だ
[1]: https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Lonely_Doug
「巨大な木は頂上の枝まで水をポンプで汲み上げるのに問題がない」というが、そもそも本当に水をポンプで汲み上げているわけではないからかもしれない
逆に、多くの巨大樹は霧を通じて空気中から水を得ている
沿岸霧の凝結が、木の水分必要量のかなりの部分を占める[23]
https://en.wikipedia.org/wiki/Sequoia_sempervirens#Fog_and_f...
https://en.wikipedia.org/wiki/Sequoia_sempervirens
もし分節構造へと進化していたなら、おそらくもっと高く成長できたはずだ
[1] https://www.sfgate.com/science/article/REDWOODS-How-tall-can...
いまだに皆、構造化水を過小評価している
論争的で、University of Washington の Gerald Pollack 研究室の外では少数の研究室でしか再現されていないことは認めるが、木の頂上まで水と樹液を運ぶうえで役割を果たし得るという確かな根拠はある。少なくとも、十分な周囲の放射エネルギー、つまり紫外線/赤外線があるときに、親水性の管で誘導される運動には関与している
関連論文:
“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
Pollack のサイト: https://www.pollacklab.org/
Pollack 理論への批判:
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)
そのスレッドはそうした項目を挙げてみろというもので、リストは数百項目にまで膨れ上がった。もっとばかげた項目がはるかに多かったにもかかわらず、人々は自分のトリガーワードを目にして怒りを抑えられなかった
これはホメオパシーの項目に入れればよさそうだ
なぜ木がある限界以上に水を引き上げられないと信じられているのか理解できない。必要なのはバルブシステムだけで、植物はすでに別の目的でそうしたものを持っている。木が文字どおり水を吸い上げる方式に制限されるというのは筋が通らない。それなら、ほとんどの木が簡単に超える高さで、すでに行き詰まっているはずだ
単に木は今ではそこまで大きく育たないように思える。トウヒのような一般的な木でも100mまでいけそうに見えるが、そこまで伸びることはあまりない
1つの可能性は栄養分の枯渇だ。ただ、個人的にはゾウの不在が原因だと思う。ゾウが若い木を絶えず壊していて、運よく生き残った少数だけが巨大に成長したのかもしれない。もしかすると、redwoodは先住民が若い木を取り除き、古い木を残すことで生み出したものなのかもしれない
https://www.youtube.com/watch?v=BickMFHAZR0
おすすめ。Derekが作ったVeritasium動画の中でも最高の1本だと思う
より最近の古い高木林は、もっと寒い地球でもうまく持ちこたえていたので、特に関係ないのかもしれない
それでも、より暖かく湿潤で、大気中のCO2濃度が高い地球のほうが、より背の高い木の成長に有利だっただろうと想像するのは容易だ
一方で、これは自分の専門分野ではないので、自分でも何を言っているのかよく分かっていないのかもしれない